Thiết kế cơ cấu máy thu hoạch cà phê - Luận văn tốt nghiệp ĐH Bách Khoa

Luận văn chi tiết về thiết kế máy thu hoạch cà phê. Phân tích nguyên lý, cấu tạo, tính toán kỹ thuật cụm hái và hướng phát triển sản phẩm trong thực tế.

• Tác giả: Cái Huy Long
• Người hướng dẫn: TS. Bành Quốc Nguyên
• Trường học: Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết kế máy
• Đề tài: Thiết kế cơ cấu cho máy thu hoạch cà phê
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế máy thu hoạch cà phê tối ưu

Máy thu hoạch cà phê là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm giảm bớt khó khăn cho nông dân Việt Nam trong quá trình thu hoạch cà phê. Việt Nam hiện là một trong những nước sản xuất cà phê lớn nhất thế giới, với diện tích trồng cà phê tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên. Tuy nhiên, phương pháp thu hoạch truyền thống vẫn phụ thuộc nhiều vào nhân lực, gây mệt nhọc cho nông dân và ảnh hưởng đến năng suất. Thiết kế máy thu hoạch cà phê tối ưu là cần thiết để đáp ứng nhu cầu tự động hóa nông nghiệp và nâng cao hiệu quả sản xuất. Luận văn này tập trung vào việc thiết kế cơ cấu máy hái cà phê với các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, từ đó góp phần giải quyết vấn đề lao động trong ngành cà phê.

1.1. Tình hình cây cà phê và nhu cầu cấp thiết

Cây cà phê là cây trồng chiến lược của Việt Nam với giá trị kinh tế cao. Diện tích trồng cà phê tập trung ở các tỉnh như Đắk Lắk, Đắk Nông, Lâm Đồng. Tuy nhiên, phương pháp thu hoạch cà phê truyền thống bằng tay đòi hỏi nhiều nhân công, gây áp lực lao động cao. Nhu cầu máy thu hoạch cà phê ngày càng tăng để cải thiện điều kiện làm việc cho nông dân và nâng cao năng suất lao động.

1.2. Phương pháp thu hoạch hiện tại tại Việt Nam

Hiện nay, phương pháp thu hoạch cà phê tại Việt Nam chủ yếu là hái tay hoặc sử dụng máy hái cà phê dạng chân vịt. Phương pháp trải bạt là cách phổ biến, trong đó nông dân lắc cành cây để quả rơi xuống. Tuy nhiên, các máy hiện có chưa thích ứng hoàn toàn với điều kiện địa hình và khí hậu Tây Nguyên, do đó cần thiết kế máy thu hoạch cà phê tối ưu phù hợp với thực tế.

II. Các phương pháp thiết kế và cơ cấu máy thu hoạch

Thiết kế cơ cấu máy hái cà phê đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố kỹ thuật, bao gồm hệ thống rung, bộ phận hứng và cơ cấu vận chuyển. Nguyên lý hoạt động chính của máy thu hoạch cà phê tối ưu là sử dụng khối lệch tâm để tạo ra rung động có tần số và biên độ phù hợp, giúp quả cà phê rơi xuống mà không làm hỏng cành cây. Bộ phận hứng phải có thiết kế phù hợp để thu tập quả cà phê một cách hiệu quả. Hệ thống vận chuyển liên tục giúp đưa quả cà phê từ điểm hái đến buồng hứng. Thiết kế máy thu hoạch cà phê cần kết hợp các yếu tố này để đạt hiệu suất cao nhất.

2.1. Nguyên lý hoạt động cụm hái cà phê

Cụm hái cà phê hoạt động dựa trên nguyên lý tạo rung động để tách quả khỏi cành. Khối lệch tâm được lắp trên trục quay, khi quay sẽ tạo ra lực tâm trí giúp thanh rung dao động. Cây cà phê được coi như một chùm công xôn với khối lượng tập trung phía trên, khi chịu rung động sẽ tách quả ra. Tần số rung và biên độ phải được tính toán chính xác để vừa có hiệu quả mà không làm hỏng cây.

2.2. Hệ thống vận chuyển và bộ phận hứng

Hệ thống vận chuyển trong máy thu hoạch cà phê có thể sử dụng xích tải, băng tải hoặc vít tải. Bộ phận hứng phải được thiết kế để thu tập quả cà phê từ dưới cây lên, sau đó vận chuyển đến buồng chứa. Vật liệu sử dụng phải bền bỏ, không làm hỏng quả và dễ vệ sinh. Thiết kế tối ưu đảm bảo hiệu suất cao, giảm tổn thất cà phê.

III. Yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc

Máy thu hoạch cà phê tối ưu phải đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật khắt khe để hoạt động hiệu quả tại Việt Nam. Điều kiện làm việc bao gồm địa hình dốc, khí hậu nóng ẩm, độ che phủ của cây dày đặc. Lực tách quả được đo đạc thực tế trên cây cà phê trong các giai đoạn chín khác nhau: quả xanh, quả chín vừa, quả chín hoàn toàn. Yêu cầu về khối lệch tâm, thanh rung, độ bền cơ cấu phải được tính toán cẩn thận. Hệ thống thủy lực cung cấp sức mạnh cho motor và các van điều khiển. Thiết kế máy thu hoạch cà phê phải đảm bảo an toàn vận hành, bảo trì dễ dàng và chi phí sản xuất hợp lý.

3.1. Điều kiện làm việc thực tế

Điều kiện làm việc tại các vùng trồng cà phê ở Tây Nguyên có những đặc thù riêng. Địa hình dốc, đất không bằng phẳng ảnh hưởng đến thiết kế máy thu hoạch cà phê. Cây cà phê thường mọc dây leo quanh, làm khó khăn cho việc hái. Lực tách quả thay đổi tùy theo mức độ chín của trái, yêu cầu cơ cấu rung phải linh hoạt. Độ ẩm cao gây ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu.

3.2. Yêu cầu kỹ thuật chính

Máy thu hoạch cà phê tối ưu cần đạt các yêu cầu: năng suất 30-50 kg/giờ, độ hỏng quả dưới 5%, khối lượng máy nhẹ nhàng, dễ vận hành. Cơ cấu rung phải tạo tần số 10-20 Hz, biên độ 5-10 mm. Vật liệu phải chống ăn mòn, chịu nước. Hệ thống thủy lực phải an toàn, áp lực làm việc 20-30 bar. Thiết kế phải có khả năng bảo trì dễ dàng tại thực địa.

IV. Hướng phát triển và ứng dụng thực tiễn

Thiết kế máy thu hoạch cà phê tối ưu không chỉ là kết quả của quá trình nghiên cứu học thuật mà còn hướng tới ứng dụng thực tiễn để cải thiện đời sống nông dân. Luận văn này đã xây dựng mô hình cơ cấu máy dựa trên các tính toán kỹ thuật chính xác, từ bộ phận rung, xích tải đến hệ thống thủy lực. Các kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy khả năng thực hiện cao. Tuy nhiên, để đưa máy thu hoạch cà phê vào sản xuất thực tế, cần tiếp tục thử nghiệm, cải tiến, và điều chỉnh dựa trên phản hồi từ nông dân. Thiết kế tối ưu sẽ giúp giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả, và góp phần phát triển ngành cà phê Việt Nam.

4.1. Những thành tựu và kết quả đạt được

Luận văn đã hoàn thành thiết kế chi tiết máy thu hoạch cà phê với các thành phần chính: cụm hái, bộ phận vận chuyển, hệ thống thủy lực. Các tính toán về khối lệch tâm, thanh rung, xích tải đều được thực hiện theo các tiêu chuẩn kỹ thuật. Mô hình 3D được xây dựng bằng Solidwork, giúp kiểm chứng tính khả thi. Kết quả cho thấy máy thu hoạch cà phê tối ưu có thể đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra.

4.2. Những hạn chế và hướng phát triển

Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả tích cực, thiết kế máy thu hoạch cà phê vẫn còn hạn chế: chưa thử nghiệm thực tế, chưa có dữ liệu về độ bền dài hạn, chi phí sản xuất chưa được tối ưu hoàn toàn. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm: sản xuất nguyên mẫu, thử nghiệm thực tế tại ruộng, cải tiến dựa trên phản hồi, chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp, hỗ trợ nông dân sử dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Cây cà phê ở Việt Nam Nguồn gốc cây cà phê: Cà phê được người Pháp đưa vào trồng ở Việt Nam chính thức từ năm 1857, từ đảo Martinique và vùng Guyane thuộc Pháp ở châu Mỹ Latin vì có khí hậu và thổ nhưỡng nhiệt đới tương tự Việt Nam. Đầu tiên, loại Arabica được thử ở phía Bắc rồi ở miền Trung (Quảng Trị, Bố Trạch, …), sau khi thu hoạch được chế biến dưới thương hiệu cà phê Arabica du Tonkin (cà phê Arabica Bắc Kỳ) và nhập khẩu về Pháp. Sở dĩ loại Arabica được thử nghiệm trước vì có giá trị hơn, nguyên gốc ở Ethiopia, thích hợp với vùng cao nguyên và vùng núi cao từ 800 – 2.000 m, và có nhiệt độ từ 15 - 30 độ C. Sơ lược về các loại cà phê trồng ở Việt Nam: Cây cà phê là cây công nghiệp lâu năm mang lại hiệu quả kinh tế cao cho nông dân các tỉnh thành Tây nguyên.

Cây cà phê có 3 loại chính là cà phê chè, cà phê vối và cà phê mít. Cây cà phê chè có thể cao tới 6 m, cà phê vối tới 10 m. Tuy nhiên, phải cắt tỉa để giữ được độ cao từ 2-4 m, thuận lợi cho việc thu hoạch. Cây cà phê có cành thon dài, lá cuống ngắn, xanh đậm, hình oval.

Mặt trên lá có màu xanh thẫm, mặt dưới xanh nhạt hơn. Chiều dài của lá khoảng 8-15 cm, rộng 4-6 cm. Hoa cà phê: Hoa cà phê màu trắng, có 5 cánh, thường nở thành chùm đôi hoặc chùm ba. Hoa chỉ nở trong vòng 3-4 ngày và thời gian thụ phấn chỉ vài ba tiếng.

Một cây cà phê trưởng thành có từ 30-40 ngàn bông hoa. Quả cà phê: Cà phê là loài cây tự thụ phấn, do đó, gió và côn trùng ít có ảnh hưởng lớn tới quá trình sinh sản của cây. Sau khi thụ phấn quả sẽ phát triển trong 7-9 tháng và có hình bầu dục. Trong thời gian chín, màu sắc của quả thay đổi từ xanh sang vàng rồi cuối cùng là đỏ.

Quả có màu đen khi đã chín nẫu. Do thời gian đâm hoa kết trái lâu như vậy mà 1 vụ cà phê kéo dài gần 1 năm và có thể xảy ra trường hợp trên một cây vừa có hoa vừa có quả.1: Quả cà phê Giá trị kinh tế của cà phê: Cà phê là một trong những mặt hàng xuất khẩu chủ lực của Việt Nam là mặt hàng nông sản xuất khẩu đứng thứ 2 về kim ngạch sau gạo. Chính vì thế ngành cà phê đã có một vai trò rất lớn trong nền kinh tế quốc dân. Ngành cà phê góp phần làm chuyển dịch cơ cấu kinh tế: ngành cà phê gắn với cả một quá trình khép kín từ sản xuất đến tiêu dùng.

Điều này kéo theo theo một loạt các ngành kinh tế phát triển như ngành xây dựng các cơ sở để nghiên cứu giống, ngành thuỷ lợi, ngành giao thông, ngành chế tạo máy móc,. Vì thế đẩy mạnh qúa trình chuyển dịch cơ cấu kinh tế ở các vùng nơi có cây cà phê phát triển.2: Cây cà phê chín Ngành cà phê đã góp phần rất lớn vào nguồn thu ngân sách nhà nước. Hàng năm ngành cà phê đem về cho đất nước từ 1- 1,2 tỷ USD/ năm chiếm 10% kim ngạch xuất khẩu cả ước. Góp phần giải quyết công ăn việc làm cải thiện đời sống nhân dân.2 Các phương pháp thu hoạch cà phê hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới.1 Tại Việt Nam Trong nước hiện tại có các phương pháp thu hoạch cà phê khác nhau, nhưng đa số vẫn bằng tay thủ công (chiếm đến hơn 96%) bao gồm cả cà phê Arabica và Robusta.

Ngoài phương pháp thủ công vẫn có nhiều nhà sáng chế thiết kế máy tự động. Phương pháp thu hoạch truyền thống 3 Hình 1.3: Nông dân ở Đắk Lắk thu hoạch cà phê bằng phương pháp trải bạt * Ưu điểm: - Có thể linh hoạt thu hoạch những trái chín và chừa lại những trái xanh - Hạn chế làm hư hỏng do gãy, rớt, lực tác động lên lá, cành. - Dễ dàng thu hoạch những ngóc ngách nhỏ trong tán cành cây cà phê. * Nhược điểm: - Năng suất thu hoạch cực kì thấp - Phụ thuộc chủ yếu vào sức người.

- Thời gian thu hoạch kéo dài làm ảnh hưởng đến mùa vụ năm sau, kết quả cây sinh trưởng không đồng đều. Phương pháp thu hoạch cà phê không truyền thống (hiện đại) Một số máy móc được thiết kế để thu hoạch: Máy hái dạng chân vịt: 4 Hình 1.4: Nông dân thu hoạch cà phê bằng máy hái cà phê dạng chân vịt Hình 1.5: Máy hái cà phê dạng chân vịt Máy thu hoạch cà phê dạng chân vịt sử dụng động cơ xăng 25.4ml Makita EJ2651WHG giá dao động từ 10.6: Máy hái cà phê dạng kẹp * Ưu điểm: - Giảm năng lượng tiêu tốn cho quá trình hái - Có thể làm việc trong thời gian dài hơn. * Nhược điểm: - Năng suất thấp. - Làm cho các lá và cành có hiện tượng bị gãy.

- Các hạt thu hoạch bắn ra ngoài nhiều làm giảm hao tổn, và bắt buộc phải trải bạt hái.2 Phương pháp thu hoạch cà phê trên thế giới Ở các nước có sản lượng cà phê lớn đặc biệt Brazil, Columbia, một số nước Nam Mỹ, lượng cà phê thu hoạch lớn việc thu hoạch vẫn diễn ra theo 2 phương pháp, tuy nhiên sản lượng thu hoạch bằng phương pháp hiện đại nhiều hơn. Tương tự phương pháp thu hoạch truyền thống là bằng tay như ở Việt Nam thì không đề cập đến nữa. Ở những nơi chi phí lao động cao và đất đai khan hiếm và tốn kém, hiệu quả thông qua công nghệ đã trở thành một yếu tố quan trọng để giữ giá lương thực ở mức phải chăng. Đối với hầu hết các quốc gia giàu có, thời của trang trại gia đình không còn nữa.

Họ đã không bị ảnh hưởng bởi lợi thế kinh tế theo quy mô. Tuy nhiên, với hầu hết việc sản xuất cà phê diễn ra ở các quốc gia đang phát triển, việc canh tác cà phê phần lớn đã không có sự ra đời của cơ giới hóa. Công nhân nông trại mang theo những giỏ anh đào mà họ hái bằng tay thường là tiêu chuẩn, nơi chi phí lao động thấp và khả năng tiếp cận công nghệ hạn chế giúp cho việc trồng trọt bằng tay là hoàn toàn có thể. • Một số phương pháp thu hoạch cà phê hiện đại trên thế giới: 6 * Máy tuốt cà phê Hình 1.7: Máy tuốt cà phê khi đã cắt cành xuống * Máy thu hoạch cà phê sử dụng chổi quét ở khu vực Nam Mỹ: Có hai thương hiệu máy thu hoạch cà phê chính: Brastoft (trước đây là Austoft) và Korvan.

Cả hai máy về cơ bản đều giống nhau về hình dạng và kích thước, nhưng một vài điểm khác biệt giữa hai máy có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và số lượng trái thu hoạch. Korvan được điều khiển từ tâm trên cùng của máy, điều này giúp cho việc lái xe xuống hàng cây rất dễ dàng vì cây nằm thẳng phía dưới người điều khiển. Nó cũng có một hệ thống quạt làm sạch tốc độ thay đổi và mạnh mẽ, có thể loại bỏ tất cả rác và thậm chí cả cà phê chín trên cây nhỏ. Hai điểm này là lợi thế chính của nó so với máy gặt Brastoft.8: Hình ảnh máy thu hoạch cà phê của hãng Korvan Đặc điểm nguyên lí của máy: Gần như tất cả các máy đều sử dụng động cơ diesel, dẫn động bằng một máy bơm thủy lực lớn.

Sau đó, máy bơm này dẫn động các mâm thủy lực và nhiều động cơ thủy lực nhỏ hơn trên khắp máy, và chúng chạy các băng tải, máy lắc, quạt làm sạch, điều chỉnh độ cao, dẫn động lái và bánh xe. Hệ thống thủy lực này hoạt động tốt vì động cơ mạnh mẽ, chịu được thời tiết, thay đổi được tốc độ và có thể có định mức mô-men xoắn rất cao. * Máy thu hoạch Brastoft: 8 Hình 1.9: Máy thu hoạch cà phê Brastoft Phân tích máy Brastoft: Máy thu hoạch đều có một thùng, có thể chứa khoảng 1 tấn quả thu hoạch. Brastoft có một thùng, có hai lỗ nhỏ ở phía dưới, và điều này giúp dễ dàng đổ đầy các thùng đều có kích thước tiêu chuẩn, dễ dàng vận chuyển bằng máy kéo thông thường; Cả hai máy gặt đều có băng tải phía trên hàng để máy kéo có rơ-moóc có thể chạy ở hàng tiếp theo và sản phẩm được thả vào rơ-moóc này.

Nhìn chung cả hai máy gặt đều làm rất tốt. Đạt được kết quả tốt hơn về chất lượng (chín trên 90%) với máy gặt Brastoft đã được sửa đổi, nhưng các địa điểm khác nhau và lịch trình thu hoạch khác nhau có thể khá dễ dàng khiến Korvan trở thành máy thu hoạch ưa thích.3 Nhu cầu cấp thiết của việc thu hoạch cà phê bằng máy tại Việt Nam Về sản lượng: (theo vietnambiz) Việt Nam đã ghi nhận một mùa cà phê bội thu trong năm 2019/20 (mùa thu hoạch kéo dài từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 3 năm 2020). Sản lượng cà phê tăng 3% lên mức kỷ lục 31,3 triệu bao 60kg. Sản lượng sẽ suy giảm một chút vào năm 2020/21 và đạt 29,9 triệu bao.

Với riêng cà phê robusta thì Việt Nam chiếm thị phần xuất khẩu có thể lên tới 40%. Việc tăng chất lượng và tính nhất quán của chất lượng làm nền tảng cho việc tăng giá trị trong xuất khẩu là một thách thức lớn vì khoảng 85% sản lượng cà phê của Việt Nam đến từ các cơ sở sản xuất nông nghiệp. Những hộ nông dân nhỏ này sử dụng nhiều giống và quy trình canh tác khác nhau, khiến chất lượng hạt không đồng đều. 9  Với sản lượng cà phê đứng hàng đầu thế giới và có đến 96% thu hoạch bằng phương pháp thủ công, chưa được cơ giới hóa do đó ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra của ngành cà phê, làm cho giá cả cà phê trên thị trường luôn là thấp nhất so với các nước xuất khẩu.

Để việc cạnh tranh xuất khẩu diễn ra dễ dàng hơn, cấp thiết là chất lượng cà phê thu hoạch phải đồng đều, hạn chế tối thiểu việc thu hoạch xanh.  Để giảm sức lực của người nông dân trên sản phẩm nông nghiệp với hiện tại chi phí nhân công cho việc thu hoạch chiếm tỉ trọng lớn, làm cho người nông dân không còn có những khoản tiền đáng kể.  Việc thu hoạch không đồng đều là còn do số lượng nhân công hạn chế, người dân phải thu hoạch từ sớm để hạn chế số trái rụng và thất thoát, do đó việc cơ giới hóa lúc này là cần thiết. 10 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU KĨ THUẬT CỦA MÁY HÁI CÀ PHÊ 2.