Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nha đam (Aloe vera L., thuộc họ Hành tỏi - Liliaceae) là loại cây nhiệt đới và cận nhiệt đới có giá trị kinh tế và y dược cao. Trong cấu trúc lá nha đam, lớp dịch vàng (nhựa latex chứa hợp chất Anthraquinone như Aloin) phân bố dọc theo các bó mạch dưới lớp vỏ xanh, trong khi phần ruột bên trong là khối gel nhầy trong suốt chứa nhiều Polysaccharide quan trọng như Glucomannan và Acemannan. Hiện nay, nhu cầu sử dụng các sản phẩm chế biến từ nha đam như sữa chua nha đam, nước giải khát, thực phẩm chức năng và mỹ phẩm tăng trưởng mạnh, kéo theo sự mở rộng các vùng nguyên liệu chuyên canh tập trung tại Việt Nam (đặc biệt tại khu vực Nam Trung Bộ như tỉnh Ninh Thuận).

Tuy nhiên, khâu sơ chế nha đam tại các nhà máy sản xuất thực phẩm trong nước (tiêu biểu như Công ty Cổ phần Sữa Việt Nam - Vinamilk, Công ty Cổ phần Thực phẩm Dinh dưỡng Nutifood) phần lớn vẫn phụ thuộc vào phương pháp thủ công. Công nhân dùng dao gọt bỏ phần gốc trắng (khoảng 25 mm), ngọn nhọn (50–100 mm), cắt bỏ hai gờ gai bên hông rồi bóc tách lớp vỏ trên và vỏ dưới. Quy trình này đòi hỏi số lượng nhân công rất lớn, tốc độ xử lý chậm, dễ gây nhiễm khuẩn chéo và làm thất thoát lượng lớn chất nhầy có hoạt tính sinh học bám dính trên bàn thao tác. Mặt khác, các hệ thống máy nhập khẩu từ Đức (như hãng TecnoTrans-Sa), Mexico hoặc Trung Quốc (như Xingtai City Judu Commercial) có giá thành cao, tỷ lệ hao hụt nguyên liệu lớn, chỉ thực hiện đơn lẻ từng nguyên công hoặc vẫn yêu cầu người vận hành cấp phôi từng lá riêng biệt.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống tự động tích hợp các công đoạn sơ chế nha đam với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được xác định như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về đặc tính thực vật học của cây nha đam và nguyên lý làm việc của các dòng máy bóc vỏ nha đam trong nước và quốc tế.
  2. Thiết kế và phát triển hệ thống cơ khí đồng bộ bao gồm: cơ cấu cấp phôi tự động (loading mechanism), cơ cấu cắt gờ gai hai bên (fillet mechanism), cơ cấu ép tách vỏ (peeling mechanism) và cơ cấu cắt hạt lựu hai chiều (dicing mechanism).
  3. Đạt năng suất thiết kế công nghiệp $5.000\text{ kg/giờ}$ đáp ứng quy trình sản xuất liên tục tại các nhà máy chế biến thực phẩm.
  4. Đảm bảo hiệu suất bóc sạch vỏ đạt trên $90%$, kích thước hạt lựu cắt ra đồng đều trong dải $3 - 5\text{ mm}$, và kết cấu sử dụng vật liệu thép không gỉ inox 304 đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
  5. Thiết kế hệ thống điều khiển điện vận hành an toàn và tin cậy.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lá nha đam tươi thu hoạch chưa qua xử lý gọt vỏ; các thông số hình học và cơ lý của lá được khảo sát từ mẫu đo thực tế 50 lá với chiều dài trung bình $495\text{ mm}$ (dao động $480 - 600\text{ mm}$), bề rộng trung bình $80\text{ mm}$ (dao động $89 - 115\text{ mm}$), bề dày trung bình $28\text{ mm}$ và khối lượng trung bình $500\text{ g/lá}$ ($390 - 700\text{ g/lá}$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán động học, động lực học và thiết kế kết cấu cơ khí cho 4 cụm chức năng chính; xây dựng quy trình công nghệ gia công các chi tiết trục con lăn; thiết kế mạch điện điều khiển; chế tạo mô hình và thử nghiệm đánh giá khả năng tách vỏ, cắt hạt lựu. Đề tài được thực hiện trong thời gian 6 tháng tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu ứng dụng mô hình lý thuyết năng lượng bóc tách màng đàn hồi của Kendall (Energy Theory of Fracture for an Elastic Film - Kendall's Model, 1975) để mô tả mối quan hệ giữa lực bóc tách và các thông số hình học, cơ lý của lá nha đam. Hệ thống bóc vỏ được mô hình hóa gồm một màng mỏng đàn hồi (lớp vỏ lá) có chiều dày $d$, bề rộng $b$, độ biến dạng $\Delta l$, mô đun đàn hồi $G$, góc bóc $\phi$ và chịu lực kéo $F$ bóc tách khỏi bề mặt nền cứng (khối gel thạch).

Theo mô hình Kendall, biến thiên năng lượng toàn phần trong quá trình bóc vỏ bao gồm ba thành phần:

  1. Năng lượng bề mặt cần thiết để tạo ra diện tích bề mặt phân chia mới: được đặc trưng bởi năng lượng dính $R$ (phụ thuộc vào vận tốc bóc).
  2. Biến thiên thế năng do công của lực bóc di chuyển sinh ra.
  3. Biến thiên năng lượng biến dạng đàn hồi tích lũy trong dải vỏ bị kéo giãn ($E_3 = \frac{1}{2} F \Delta l$). Theo định luật Hooke và quan hệ ứng suất - biến dạng, thành phần năng lượng đàn hồi được xác định theo mô đun đàn hồi $G$ và kích thước dải bóc ($b, d$).

Dựa trên mô hình này, tác giả thiết lập các điều kiện lực ép và vận tốc tiếp tuyến của con lăn để đảm bảo lực kéo bóc đủ lớn phá vỡ liên kết giữa vỏ và thịt nha đam mà không làm dập nát khối gel bên trong.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp tính toán động học và động lực học máy: Tính toán công suất làm việc, công suất cản, xác định công suất động cơ điện; tính toán phân phối tỷ số truyền qua bộ giảm tốc trục vít - bánh vít và các bộ truyền xích dẫn động con lăn, băng tải.
  • Phương pháp tính toán sức bền chi tiết máy: Xác định tải trọng tác dụng, lập sơ đồ lực trong không gian ($ZOX, ZOY$), vẽ biểu đồ mômen uốn và mômen xoắn, tính đường kính trục theo độ bền mỏi và kiểm tra hệ số an toàn $S$ tại các tiết diện nguy hiểm (rãnh then, bậc trục lắp ổ lăn). Lựa chọn và kiểm nghiệm tải trọng động ($C$), tải trọng tĩnh ($C_0$) của ổ lăn đỡ chặn đơn hàng.
  • Phương pháp lập quy trình công nghệ chế tạo cơ khí: Phân tích kết cấu, chọn chuẩn định vị, vạch tiến trình công nghệ gia công chi tiết trục con lăn và trục dao cắt trên các máy công cụ vạn năng (máy tiện, máy phay).
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đo đạc thực nghiệm kích thước hình học 50 mẫu lá nha đam thực tế; dữ liệu tra cứu tiêu chuẩn chi tiết máy từ tài liệu chuyên ngành cơ khí chế tạo máy; dữ liệu thông số kỹ thuật của các dòng máy bóc vỏ nha đam thương mại trên thế giới.

Thiết kế và triển khai hệ thống cơ khí

Để đạt năng suất $5.000\text{ kg/giờ}$, hệ thống được thiết kế với cấu trúc 3 kênh làm việc song song trên cùng một thân máy. Mỗi kênh đảm nhận xử lý một phần ba tổng lưu lượng, tương đương $1.666,7\text{ kg/giờ}$ (xấp xỉ $0,463\text{ kg/giây}$, tương ứng tốc độ nạp 1 lá/giây).

Cụm cơ cấu Thông số hình học chính Động cơ và tỷ số truyền Bộ truyền và chi tiết đỡ
Cơ cấu bóc vỏ (Peeling mechanism) - 3 con lăn linh hoạt (flexible roller): $\varnothing 150\text{ mm}$, khoét lỗ rỗng $\varnothing 40\text{ mm}$, chiều dài $L_c = 160\text{ mm}$.
- Khe hở làm việc giữa 2 con lăn: $20\text{ mm}$.		 - Động cơ: 4AA56A4Y3 ($P = 0,12\text{ kW}$, $n = 1380\text{ v/p}$).
- Tỷ số truyền: $u_{gm} = 4,6$; $u_{x} = 2$ (tổng $u = 9,2$).
- Tốc độ con lăn: $n = 150\text{ v/p}$ ($v = 1,18\text{ m/s}$).		 - Bộ truyền xích: bước xích $p = 12,5\text{ mm}$, đĩa xích $z_1 = 28$, $z_2 = 56$, số mắt xích $x = 120$.
- Ổ lăn: Ổ bi đỡ chặn 206-R ($d = 30\text{ mm}$, $C = 15,3\text{ kN}$, $C_0 = 10,2\text{ kN}$).
Cơ cấu cắt gờ và dẫn phôi (Fillet & Feeding) - 1 con lăn cố định (fixed roller) và 1 con lăn dẫn hướng lá: chiều dài trục $L = 1310\text{ mm}$.
- Băng tải cấp liệu nạp phôi lá.		 - Động cơ: 4A80A4Y3 ($P = 1,1\text{ kW}$, $n = 1400\text{ v/p}$, $\cos\varphi = 0,81$).
- Tỷ số truyền: $u_{gm} = 4,67$; xích $u_{x1} = u_{x2} = 2$; xích băng tải $u_{x3} = 1$.		 - Bộ truyền xích ống con lăn: $p = 12,5\text{ mm}$, $z_1 = 28$, $z_{21} = z_{22} = 56$, $z_{23} = 28$, mắt xích $x_1 = x_2 = 120$, $x_3 = 110$.
Cơ cấu cắt hạt lựu (Dicing mechanism) - Trục dao cắt dọc (vertical cutting roller dạng đĩa).
- Trục dao cắt ngang (horizontal cutting roller).		 - Dẫn động liên động tạo chuyển động quay đồng tốc cắt hạt lựu kích thước $3 - 5\text{ mm}$. - Bộ dao thép không gỉ tháo lắp linh hoạt để mài hoặc thay thế.

Vật liệu chủ đạo chế tạo toàn bộ các chi tiết tiếp xúc với nha đam (con lăn, lưỡi dao, máng dẫn, khung thân) là thép không gỉ Austenitic AISI 304 (khối lượng riêng $\rho = 7930\text{ kg/m}^3$), có khả năng kháng ăn mòn cao trước môi trường dịch nhờn có tính axit nhẹ (pH 4,5) của lá nha đam và dễ khử trùng theo tiêu chuẩn thiết bị thực phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan (Introduction)

Chương này phân tích tổng quan thực vật học của cây nha đam, tập trung vào giải phẫu 3 lớp cấu trúc của lá: lớp vỏ dày ngoài cùng (rind gồm 15–20 lớp tế bào), lớp nhớt trung gian (mucilage chứa bó mạch tiết dịch nhựa latex aloin), và khối thạch thịt (fillet gồm các tế bào nhu mô lục giác tích trữ nước). Báo cáo liệt kê chi tiết các thành phần hóa sinh y học có trong lá như bảng tổng hợp dưới đây:

Nhóm hợp chất Tỷ lệ / Số lượng Thành phần chi tiết
Nước và Carbohydrate Nước chiếm 98,25% (25–50% chất khô) Pure mannan, acetylated mannan, glucomannan, galactan, pectin, xylan, cellulose.
Đường (Sugars) 93% Mannose, 95% đường tự do Monosaccharide (Glucose, Fructose, Mannose, L-rhamnose); Polysaccharide (Glucomannan).
Anthraquinone / Anthrone 12 hợp chất Phenolic Aloin A và B (Barbaloin), Isobarbaloin, Anthranol, Emodin, Chrysophanic acid.
Enzyme sinh học 13 loại enzyme Aliiase, Cellulase, Peroxidase, Catalase, Lipase, Amylase, Superoxide dismutase.
Axit amin 20/22 loại axit amin Alanine, Arginine (chiếm 20%), Aspartic acid, Glutamic acid, Glycine, Lysine, Leucine...

Chương I cũng khảo sát sơ đồ công nghệ của các máy bóc vỏ trên thế giới (máy bóc từng mặt của TecnoTrans-Sa - Đức; máy cuốn con lăn của Mexico năng suất $500\text{ kg/h}$; máy băng tải ép lưỡi cắt của Xingtai City Judu - Trung Quốc năng suất $1 - 1,5\text{ tấn/h}$). Từ đó, tác giả chỉ ra tính cấp thiết phải chế tạo hệ thống tự động hóa hoàn toàn từ khâu cấp phôi, cắt gờ gai, bóc vỏ 2 mặt đến cắt hạt lựu tại Việt Nam.

Chương II: Thiết kế cơ khí (Mechanical Designing)

Trọng tâm chương này là tính toán thiết kế động lực học và kết cấu chi tiết cho từng cụm:

  • Ứng dụng mô hình Kendall: Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng bóc tách vỏ màng mỏng đàn hồi.
  • Tính toán con lăn đàn hồi (Flexible roller): Chọn đường kính $D = 150\text{ mm}$ dựa trên chiều dài lá $495\text{ mm}$ để đảm bảo khi quay 1 vòng con lăn dẫn hết chiều dài một lá; chiều dài con lăn $L_c = 160\text{ mm}$ (gấp đôi chiều rộng lá $80\text{ mm}$ để chống kẹt); khe hở làm việc $20\text{ mm}$ (nhỏ hơn 25% bề dày lá $28\text{ mm}$) tạo lực ép biến dạng phẳng tiết diện cong của lá trước khi vào lưỡi cắt. Khối lượng con lăn sau khoét rỗng lỗ $\varnothing 40\text{ mm}$ là $6,52\text{ kg}$.
  • Tính toán sức bền trục và chọn ổ lăn: Lập biểu đồ mômen uốn tổng $M$ và mômen xoắn $T$ trên trục con lăn bóc vỏ; kiểm tra hệ số an toàn tại các tiết diện lắp then ($d = 20\text{ mm}$, then $6\times 6\text{ mm}$) và ngõng trục lắp ổ bi ($d = 30\text{ mm}$). Kết quả tính toán cho thấy hệ số an toàn $S > 2,5$, thỏa mãn điều kiện bền mỏi. Chọn ổ bi đỡ chặn 206-R có khả năng chịu tải hướng tâm và tải dọc trục vượt tải trọng tính toán ($Q_{11} = 65,49\text{ N} \ll C = 15.300\text{ N}$).
  • Thiết kế cơ cấu cắt gờ và băng tải: Tính toán công suất kéo của băng tải và con lăn cố định $L = 1310\text{ mm}$ khối lượng $3,5\text{ kg}$, chọn động cơ $1,1\text{ kW}$ và hệ thống dẫn động xích bước $12,5\text{ mm}$.
  • Thiết kế cơ cấu cắt hạt lựu: Tính toán trục dao đĩa cắt dọc và trục dao cắt ngang quay liên tục, xác định góc cắt và lực cắt thích hợp cho gel nha đam mềm dẻo.

Chương III: Quy trình công nghệ chế tạo (Technology Procedure)

Chương này thiết lập tiến trình công nghệ gia công cơ khí hoàn chỉnh cho 4 chi tiết cơ bản của hệ thống:

  1. Trục con lăn linh hoạt (Flexible roller): Gia công tiện thô, tiện tinh mặt ngoài, tiện khoét rỗng lỗ $\varnothing 40\text{ mm}$, tiện rãnh chặn và phay rãnh then, đảm bảo độ nhám bề mặt lắp ghép $Ra = 2,63\ \mu\text{m}$.
  2. Trục con lăn cố định (Fixed roller): Tiến trình gia công tiện chi tiết trục dài $L = 1310\text{ mm}$, tiện các ngõng trục lắp ổ và bậc định vị đĩa xích.
  3. Trục dao cắt dọc (Vertical cutting roller): Quy trình gia công tiện trục gá và phay các rãnh định vị cụm đĩa dao cắt song song.
  4. Trục dao cắt ngang (Horizontal cutting roller): Quy trình gia công phay biên dạng lưỡi cắt xoay và khoan taro lỗ kẹp lưỡi dao.

Chương IV: Thiết kế hệ thống điện điều khiển (Design of Electrical Recruit/Circuit)

Chương này xây dựng sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển cho toàn bộ dây chuyền:

  • Mạch cung cấp nguồn và bảo vệ ngắn mạch, quá tải cho 2 cụm động cơ điện chính (động cơ cơ cấu bóc vỏ $0,12\text{ kW}$ và động cơ cơ cấu nạp liệu/cắt gờ $1,1\text{ kW}$).
  • Thiết kế mạch điều khiển trung tâm với các nút ấn Start/Stop, công tắc dừng khẩn cấp (Emergency Stop), rơ le nhiệt bảo vệ động cơ, và hệ thống đèn báo trạng thái vận hành của từng kênh làm việc.

Chương V: Kết quả và thảo luận (Result and Discussion)

Trình bày kết quả chế tạo và thử nghiệm vận hành mô hình thực tế:

  • Đánh giá hình dạng tiết diện của lá nha đam sau khi đi qua cụm con lăn ép: Lá cong được ép phẳng đều đặn mà không làm rách vỡ khối thạch ruột bên trong.
  • Đánh giá chất lượng bóc vỏ: Hiệu suất tách sạch vỏ ngoài đạt trên $90%$, tỷ lệ thạch bị dính sót lại theo vỏ thấp hơn đáng kể so với gọt thủ công.
  • Đánh giá chất lượng cắt hạt lựu: Kích thước hạt lựu đạt $3 - 5\text{ mm}$, các mặt cắt vuông vắn, ít bị nát nhớt.
  • Phân tích ưu điểm: Tự động hóa liên hoàn, năng suất cao, vật liệu inox đảm bảo vệ sinh, kết cấu cụm dao dễ tháo rời để vệ sinh hoặc thay thế khi cùn. Nhược điểm: Cần căn chỉnh thủ công khe hở con lăn khi kích cỡ lô lá nha đam có sự biến thiên độ dày quá lớn.

Chương VI: Kết luận và hướng phát triển (Conclusion and Further Research)

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt tính toán lý thuyết, thiết kế cơ khí và thực nghiệm chế tạo. Đề xuất các nội dung cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả định lượng cụ thể:
    • Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống bóc vỏ và cắt hạt lựu nha đam 3 làn tự động liên hoàn đạt năng suất lý thuyết $5.000\text{ kg/giờ}$.
    • Hiệu suất bóc sạch vỏ xanh đạt tỷ lệ $> 90%$.
    • Sản phẩm hạt lựu sau cụm dao cắt đạt kích thước tiêu chuẩn $3 - 5\text{ mm}$, đáp ứng yêu cầu nguyên liệu của ngành công nghiệp chế biến sữa chua và nước giải khát.
    • Các thông số tính toán sức bền trục và chọn ổ lăn đều đạt hệ số an toàn cao ($S > 2,5$, tải trọng ổ lăn thực tế nhỏ hơn rất nhiều so với tải trọng động cho phép $C = 15,3\text{ kN}$).
  • Giải pháp và kiến nghị đề xuất:
    • Sử dụng cơ cấu con lăn linh hoạt rỗng ruột kết hợp khe hở công tác $20\text{ mm}$ để tự thích ứng với độ cong tự nhiên của lá nha đam, giúp duỗi thẳng lá trước khi tiếp xúc lưỡi dao bóc.
    • Tích hợp cụm dao cắt dọc dạng đĩa và dao cắt ngang xoay tròn thành một khối dicing liên tục ngay sau cụm bóc vỏ để hạn chế việc di chuyển qua nhiều máy trung gian làm thất thoát dịch nhầy.
  • Đóng góp học thuật và kỹ thuật:
    • Đặt nền tảng nghiên cứu ứng dụng lý thuyết bóc tách màng đàn hồi Kendall vào việc tính toán máy chế biến nông sản - thực phẩm tại Việt Nam.
    • Cung cấp bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh từ tính toán động lực học, bản vẽ kết cấu, quy trình công nghệ gia công chi tiết đến sơ đồ mạch điện điều khiển, có tính ứng dụng thực tiễn cao cho các doanh nghiệp sản xuất thực phẩm trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Khe hở giữa các con lăn hiện được cố định ở mức tính toán ($20\text{ mm}$), chưa có cơ cấu tự động điều chỉnh theo thời gian thực khi kích thước lá nha đam đầu vào thay đổi đột ngột giữa các lô nguyên liệu khác nhau.
    • Chưa tích hợp cơ cấu cấp phôi tự động định hướng tuyệt đối góc nghiêng của lá trước khi nạp vào băng tải; vẫn cần sự can thiệp ban đầu của công nhân để xếp lá ngay ngắn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu tích hợp cảm biến đo biên dạng độ dày lá và cơ cấu chấp hành tự động điều chỉnh khoảng cách con lăn linh hoạt bằng khí nén hoặc động cơ bước.
    • Thiết kế bổ sung cụm cấp phôi rung/định hướng tự động để hoàn thiện dây chuyền tự động hóa $100%$ không cần công nhân nạp liệu.
    • Nghiên cứu xử lý bề mặt phủ chống dính chuyên dụng cho lưỡi dao cắt hạt lựu nhằm gia tăng độ bền sắc bén và giảm thiểu hiện tượng dính thạch khi vận hành ở tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Máy hóa chất - Thực phẩm:

  • Tính toán cơ khí ứng dụng: Cung cấp ví dụ thực tế về việc áp dụng mô hình cơ học phá hủy màng mỏng (Kendall) để giải quyết bài toán bóc tách vật liệu sinh học mềm.
  • Thiết kế chi tiết máy và hệ thống truyền động: Cung cấp toàn bộ tiến trình tính toán tải trọng, phân phối tỷ số truyền, kiểm nghiệm trục và chọn ổ lăn cho hệ thống con lăn nhiều trục quay.
  • Công nghệ chế tạo máy thực phẩm: Cung cấp các bản vẽ kết cấu và quy trình công nghệ gia công tiện, phay trục rỗng, trục dài và trục dao cắt bằng vật liệu thép không gỉ inox 304.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế và kích thước hạt lựu thành phẩm của hệ thống là bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế với tổng năng suất đạt $5.000\text{ kg/giờ}$ thông qua 3 cơ cấu bóc tách làm việc song song (mỗi cơ cấu xử lý $1.666,7\text{ kg/giờ}$). Kích thước hạt lựu nha đam sau khi qua cụm dao cắt dọc và cắt ngang đạt $3 - 5\text{ mm}$.

2. Mô hình lý thuyết nào được tác giả ứng dụng để tính toán lực bóc tách vỏ nha đam?

Tác giả ứng dụng mô hình lý thuyết năng lượng bóc tách màng mỏng đàn hồi của Kendall (Energy Theory of Fracture for an Elastic Film - Kendall's Model, công bố năm 1975). Mô hình xác định sự cân bằng giữa năng lượng bề mặt ($R$), công của lực bóc ($F$) và năng lượng biến dạng đàn hồi tích lũy ($E_3 = \frac{1}{2} F \Delta l$) theo định luật Hooke và mô đun đàn hồi $G$.

3. Vì sao đường kính con lăn linh hoạt được chọn là 150 mm và khe hở giữa 2 con lăn là 20 mm?

Đường kính $D = 150\text{ mm}$ cho chu vi con lăn là $471,2\text{ mm}$, xấp xỉ chiều dài trung bình của một lá nha đam ($495\text{ mm}$), giúp con lăn thực hiện trọn vẹn việc dẫn một lá trong một vòng quay mà không làm nghẽn các lá tiếp theo. Khe hở $20\text{ mm}$ được chọn nhỏ hơn $25%$ so với độ dày trung bình của lá ($28\text{ mm}$) nhằm tạo lực ép vừa đủ để duỗi phẳng tiết diện cong của lá trước khi vào dao gọt mà không làm vỡ nát khối thạch bên trong.

4. Thông số động cơ dẫn động cơ cấu bóc vỏ và cơ cấu nạp liệu được chọn như thế nào?

  • Cụm bóc vỏ sử dụng động cơ 4AA56A4Y3 có công suất $0,12\text{ kW}$, tốc độ $1380\text{ vòng/phút}$, tỷ số truyền tổng $u = 9,2$ (hộp giảm tốc $4,6$ và bộ truyền xích bước $12,5\text{ mm}$ có tỷ số truyền $2$) để con lăn quay ở tốc độ $150\text{ vòng/phút}$ (vận tốc dài $1,18\text{ m/s}$).
  • Cụm nạp liệu và cắt gờ sử dụng động cơ 4A80A4Y3 có công suất $1,1\text{ kW}$, tốc độ $1400\text{ vòng/phút}$, tỷ số truyền tổng $u = 9,33$ (hộp giảm tốc $4,67$ và các bộ truyền xích dẫn động con lăn và băng tải).

5. Vật liệu nào được lựa chọn để chế tạo các cụm chi tiết tiếp xúc trực tiếp với nha đam?

Toàn bộ các con lăn, lưỡi dao cắt, máng dẫn và khung tiếp xúc với nha đam đều được chế tạo bằng thép không gỉ Austenitic AISI 304 ($\text{khối lượng riêng } \rho = 7930\text{ kg/m}^3$). Vật liệu này đảm bảo khả năng chống oxy hóa, kháng ăn mòn trước dịch nhựa nha đam có tính axit nhẹ (pH 4,5) và tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và phát triển hệ thống gọt và cắt nha đam" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa dây chuyền sơ chế nha đam công nghiệp với năng suất thiết kế $5.000\text{ kg/giờ}$ và hiệu suất bóc vỏ đạt trên $90%$. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình lý thuyết bóc tách màng đàn hồi Kendall với các phương pháp tính toán động lực học, sức bền máy và quy trình công nghệ chế tạo cơ khí, nhóm tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh một hệ thống máy đồng bộ từ nạp phôi, cắt gờ gai, bóc vỏ 2 mặt đến cắt hạt lựu kích thước $3 - 5\text{ mm}$. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam mà còn là tài liệu tham khảo chuẩn mực trong lĩnh vực tính toán, thiết kế thiết bị cơ khí nông sản.