Đồ án HCMUTE: Thiết kế và chế tạo máy bóc vỏ lựu

Đồ án nghiên cứu hcmute design and manufacture pomegranate peeling machine, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Lê Hồng Duy
• Người hướng dẫn: PhD Vũ Quang Huy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Máy Bóc Vỏ Lựu HCMUTE: Thiết Kế Và Chế Tạo Hiệu Quả
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• MISSION OF THESIS
• REVIEWER’S COMMENT
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. The necessary of topic
• 1.2. The reason of topic
• 1.3. The term of project
• 1.4. The target of project
• 1.5. Research method of topic
• 1.6. The process of design
• 2. CHƯƠNG 2: OVERVIEW THE POMEGRANATE
• 2.1. General about the pomegranate
• 2.2. The pomegranate trees
• 2.3. Fruit, arils and seeds
• 2.4. Cultural History
• 3. CHƯƠNG 3: OVERVIEW THE POMEGRANATE PEELING MACHINE
• 3.1. Pomegranate peeling machine and peeling machine's structure of operations in industry
• 3.2. The pomegranate peeling machine made by Zhengzhou Yize Machinery CO
• 3.3. The perforated tube and the paddles shaft
• 3.4. Frame and transmission motors
• 3.5. Specifications of the machine
• 3.6. Advantages and disadvantages of the machine
• 3.7. The pomegranate peeling machine made by Pelamatic
• 3.8. Specifications of the machine
• 3.9. Advantages and disadvantages of the machine
• 4. CHƯƠNG 4: CALCULATE AND DESIGN THE POMEGRANATE PEELING SYSTEM
• 4.1. Choose plan for pomegranate peeling system
• 4.2. Choose plan for part used to squeeze the pomegranate
• 4.3. Choose plan for part used to smash the pomegranate pieces
• 4.4. Preliminary design of the mechanical model frame
• 4.5. Operating principle of the pomegranate peeling machine
• 4.6. Design for size of parts in system
• 4.7. Calculation and choice motor
• 4.8. Motor of Squeeze part
• 4.9. Determination power of motor
• 4.10. Motor of smash part
• 4.11. Determination power of motor
• 4.12. Choice Gears transmission
• 4.13. Calculation endurance of Chain transmission
• 4.14. Calculation, testing endurance of the frame
• 4.15. Testing the endurance of frame
• 4.16. Design electrical circuit system
• 4.17. Design electric circuit dynamics
• 5. CHƯƠNG 5: DESIGN AND IMPLEMENT THE POMEGRANATE PEELING MACHINE
• 5.1. Make frame for the pomegranate peeling machine
• 5.2. Drill on square steel to install bearings
• 5.3. Welding and assembling of steel frame
• 5.4. Make the part used to squeeze the pomegranate
• 5.5. Make the screw conveyor
• 5.6. Uses and technical requirements of the screw conveyor
• 5.7. Machining machinery of the screw conveyor
• 5.8. Make the rollers
• 5.9. Uses and technical requirements of the rollers
• 5.10. Machining machinery of the roller
• 5.11. Make the part used to smash the pomegranate pieces
• 5.12. Make the perforated tube
• 5.13. Uses and technical requirements of the perforated tube
• 5.14. Machining machinery of the perforated tube
• 5.15. Make the paddles shaft
• 5.16. Uses and technical requirements of the paddles shaft
• 5.17. Machining machinery of the paddles shaft
• 5.18. Some pictures of the machining process
• 5.19. Test the operation of the pomegranate peeling machine
• 5.20. Test the operation of the machine when it’s empty
• 5.21. Test the operation of the machine when supplying pomegranates first time
• 5.22. Test the operation of the machine when supplying pomegranates second time
• 5.23. Improved for the pomegranate peeling machine
• 5.24. Develop automation for the machine when used in industry

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Máy bóc vỏ lựu HCMUTE được thiết kế nhằm giải quyết vấn đề khó khăn trong việc bóc vỏ lựu, một loại trái cây có giá trị dinh dưỡng cao. Việc bóc vỏ lựu hiện nay chủ yếu được thực hiện bằng tay, dẫn đến hiệu suất thấp và tốn nhiều thời gian. Sự phát triển của máy bóc vỏ lựu không chỉ giúp giảm thiểu công sức lao động mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Theo nghiên cứu, máy bóc vỏ lựu có thể cải thiện năng suất lao động và giảm thiểu thời gian sản xuất, từ đó thúc đẩy ngành chế biến trái cây tại Việt Nam. Sự cần thiết của máy này không chỉ nằm ở việc tăng cường hiệu quả sản xuất mà còn góp phần vào việc phát triển kinh tế nông nghiệp của đất nước.

1.1. Tính cần thiết của đề tài

Việt Nam là một quốc gia có nền nông nghiệp phát triển, tuy nhiên, việc chế biến lựu vẫn còn nhiều hạn chế. Máy bóc vỏ lựu HCMUTE ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu này. Sản phẩm không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó tạo ra giá trị gia tăng cho nông sản. Việc áp dụng công nghệ vào sản xuất sẽ giúp cải thiện quy trình chế biến, giảm thiểu lãng phí và tăng cường khả năng cạnh tranh cho sản phẩm lựu trên thị trường.

II. Tổng quan về lựu

Lựu (Punica granatum) là một loại trái cây có nguồn gốc từ khu vực Iran hiện đại và đã được trồng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới. Lựu không chỉ được sử dụng trong ẩm thực mà còn có giá trị trong y học cổ truyền. Các nghiên cứu cho thấy lựu chứa nhiều chất chống oxy hóa và có lợi cho sức khỏe. Việc hiểu rõ về cấu trúc và thành phần của lựu sẽ giúp trong việc thiết kế máy bóc vỏ lựu hiệu quả hơn. Lựu có nhiều hạt, mỗi hạt được bao bọc bởi một lớp màng mỏng, điều này tạo ra thách thức trong việc bóc vỏ mà không làm hỏng hạt. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển máy bóc vỏ lựu là rất cần thiết.

2.1. Đặc điểm của lựu

Lựu có hình dáng tròn, vỏ dày và có màu đỏ tươi. Mỗi quả lựu có thể chứa từ 200 đến 1400 hạt, tùy thuộc vào kích thước và giống lựu. Hạt lựu được bao bọc bởi một lớp màng mỏng, dễ bị hư hại nếu không được xử lý cẩn thận. Việc thiết kế máy bóc vỏ lựu cần phải tính đến đặc điểm này để đảm bảo không làm hỏng hạt trong quá trình bóc vỏ. Sự phát triển của máy bóc vỏ lựu không chỉ giúp tăng năng suất mà còn bảo vệ chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao giá trị kinh tế cho người sản xuất.

III. Thiết kế và chế tạo máy bóc vỏ lựu

Quá trình thiết kế máy bóc vỏ lựu HCMUTE bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn nguyên liệu đến việc tính toán các thông số kỹ thuật. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát các máy bóc vỏ lựu hiện có trên thị trường để rút ra những ưu điểm và nhược điểm. Sau đó, thiết kế máy được thực hiện bằng phần mềm Solidworks, giúp mô phỏng và tối ưu hóa các bộ phận của máy. Việc lựa chọn động cơ và các bộ phận truyền động cũng rất quan trọng để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả và bền bỉ.

3.1. Quy trình thiết kế

Quy trình thiết kế máy bóc vỏ lựu bao gồm việc xác định các yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn vật liệu và thiết kế các bộ phận. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Solidworks để mô phỏng các bộ phận của máy, từ đó điều chỉnh kích thước và hình dạng cho phù hợp. Các bộ phận chính của máy bao gồm khung máy, động cơ, và các bộ phận truyền động. Việc thiết kế cần đảm bảo tính ổn định và an toàn cho người sử dụng, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất làm việc của máy.

IV. Ứng dụng và hiệu quả

Máy bóc vỏ lựu HCMUTE không chỉ có giá trị trong việc tăng cường năng suất lao động mà còn có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế biến thực phẩm. Sản phẩm này có thể giúp các cơ sở chế biến lựu giảm thiểu thời gian và công sức lao động, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất. Ngoài ra, máy còn có thể được cải tiến để tự động hóa quy trình bóc vỏ, giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng cường tính chính xác trong sản xuất.

4.1. Lợi ích kinh tế

Việc áp dụng máy bóc vỏ lựu vào sản xuất không chỉ giúp tiết kiệm chi phí lao động mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Sản phẩm lựu sau khi được bóc vỏ sẽ có giá trị cao hơn trên thị trường, từ đó tạo ra lợi nhuận lớn cho các cơ sở chế biến. Hơn nữa, máy bóc vỏ lựu còn góp phần thúc đẩy ngành chế biến trái cây tại Việt Nam, tạo ra nhiều cơ hội việc làm và phát triển kinh tế địa phương.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp chế biến rau quả và nước ép dinh dưỡng tại Việt Nam đang có tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) đạt trên 11.5%. Trong đó, quả lựu (Punica granatum) được đánh giá là nguồn nguyên liệu giá trị cao nhờ chứa hàm lượng dồi dào các hợp chất chống oxy hóa như ellagitannin, punicalagin, anthocyanin cùng vitamin C và K. Tuy nhiên, quy trình xử lý sau thu hoạch quả lựu tại thị trường nội địa gặp rào cản nghiêm trọng: trên 85% các cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ (SMEs) vẫn tách hạt thủ công. Phương pháp này tiêu tốn nhiều nhân công, năng suất chỉ đạt 10–15 kg/giờ/lao động, nguy cơ nhiễm khuẩn chéo cao và tỷ lệ dập vỡ tép hạt (arils) vượt mức 18–25%.

Vấn đề nghiên cứu cụ thể

Quả lựu có cấu trúc hình thái học phức tạp gồm vỏ ngoài cứng (pericarp), màng xốp trắng (mesocarp/albedo) phân chia thành các khoang chứa 200–1400 hạt mọng nước (sarcotesta). Vỏ lựu chứa hàm lượng tannin cao gấp 3 lần thịt quả, nếu bị nghiền nát lẫn vào dịch quả sẽ gây vị đắng chát khó xử lý. Hiện nay, các dây chuyền nhập khẩu công nghiệp từ Trung Quốc hay châu Âu có chi phí đầu tư rất lớn (8.000 – 15.000 USD), kích thước cồng kềnh, không tối ưu cho mạng lưới xưởng sản xuất vừa và nhỏ tại Việt Nam.

                  ┌──────────────────────────────────────────────┐
                  │          VẤN ĐỀ TRỤC VỎ QUẢ LỰU              │
                  ├──────────────────────────────────────────────┤
                  │  • Vỏ cứng (Pericarp) + Màng xốp (Mesocarp)   │
                  │  • Tép hạt (Arils) mỏng manh, dễ vỡ         │
                  │  • Dịch vỏ chứa Tanin gây vị chát đắng       │
                  └──────────────────────┬───────────────────────┘
                                         ▼
                  ┌──────────────────────────────────────────────┐
                  │    THÁCH THỨC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NỘI ĐỊA      │
                  ├──────────────────────────────────────────────┤
                  │  • Máy nhập khẩu: $10.000+, công suất quá lớn│
                  │  • Tách thủ công: Tốn công, nhiễm khuẩn, vỡ  │
                  │  • Thiết bị bán tự động: Năng suất rất thấp  │
                  └──────────────────────────────────────────────┘

Mục tiêu của đồ án

1. Thiết kế cơ cấu cơ khí 2 giai đoạn đồng bộ: Kết hợp cụm vít tải dẫn hướng, cặp trục ép rãnh khía tách vỏ sơ bộ và trục đập cánh nghiêng ly tâm trong lồng sàng đục lỗ.
2. Tính toán động lực học và chọn động cơ: Xác định chính xác lực ép ($F \approx 255\text{ N}$), tỷ số truyền và công suất dẫn động điện tối ưu cho nguồn điện dân dụng 220V.
3. Mô phỏng độ bền kết cấu (FEA): Kiểm nghiệm biến dạng dẻo và ứng suất của khung vỏ bằng SolidWorks Simulation 2017 trước khi gia công.
4. Chế tạo thực nghiệm và tích hợp điều khiển: Hoàn thiện máy mẫu thực tế sử dụng vật liệu Inox 304/201 chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm (Food Safety Standards) kết hợp biến tần điều tốc.

Giải pháp và Phạm vi

• Giải pháp tiếp cận: Ứng dụng nguyên lý bẻ vỡ vỏ quả bằng biến dạng nén ép qua cặp rãnh con lăn định vị, sau đó dùng cánh đập xoay với góc nghiêng $45^\circ$ gõ tách hạt ly tâm trong ống lưới sàng $\phi 300\text{ mm}$ (lỗ sàng $\phi 10\text{ mm}$).
• Kết quả kỳ vọng: Tỷ lệ tách sạch hạt đạt 70–75% ở phiên bản thử nghiệm đầu và hướng tới $\ge 90%$ khi hiệu chỉnh khe hở, độ dập hạt $< 5%$, chi phí chế tạo dưới 25 triệu VNĐ.
• Phạm vi & Giới hạn: Nghiên cứu tập trung vào quả lựu tròn thương phẩm đường kính 50–100 mm; máy mẫu thử nghiệm sử dụng khung thép hộp mạ kẽm kết hợp cụm tiếp xúc hạt bằng Inox.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để tìm ra phương án tối ưu, nhóm nghiên cứu đã so sánh các phương thức tách vỏ lựu phổ biến trên thị trường:

Tiêu chí	Tách thủ công truyền thống	Máy bán tự động Pelamatic (Tây Ban Nha)	Máy công nghiệp Zhengzhou Yize SLPP-10	Máy ép - đập 2 giai đoạn (Đồ án đề xuất)
Nguyên lý	Dùng dao bổ, gõ muỗng thủ công	Gá nửa quả, cánh thìa cơ học đập	Nghiền trục ép trục đôi + Lồng xoay công nghiệp	Vít cấp + Trục ép khía rãnh + Trục đập lồng tĩnh
Công suất	10 – 15 kg/h	2 quả/phút ($\sim 25\text{ kg/h}$)	3.000 – 5.000 kg/h	150 – 300 kg/h
Công suất điện	0 W	72 W (Động cơ bước nhỏ)	4.0 – 7.5 kW (3 pha 380V)	0.4 – 0.75 kW (1 pha 220V qua biến tần)
Tỷ lệ sạch hạt	95%	85 – 88%	88 – 92%	75 – 90% (tùy chỉnh tốc độ)
Chi phí đầu tư	Thấp (Chi phí nhân công cao)	$\sim 1.200\text{ USD}$	$\ge 10.000\text{ USD}$	$\approx 600 - 800\text{ USD}$
Tính khả thi	Không đáp ứng quy mô cơ sở	Cần cắt đôi quả trước, tốn công	Quá lớn, chiếm diện tích xưởng	Nhỏ gọn, cơ động cho SMEs

Phân loại yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

• Must have: Khung bệ chịu lực rung động tốt; buồng tách hạt bằng thép không gỉ Inox 304; cụm ép sơ bộ quả không làm nát hạt; nút dừng khẩn cấp (E-Stop).
• Should have: Biến tần điều chỉnh tần số (Hz) để thay đổi tốc độ trục đập linh hoạt; vít tải tự động nạp phôi đều đặn.
• Could have: Phễu cấp liệu tự động tích hợp cảm biến quang nhận diện đầy tải; cơ cấu tăng đơ chỉnh khoảng cách 2 trục ép.
• Won't have: Cụm rửa lựu tự động và module chiết rót đóng chai tích hợp (thuộc giai đoạn mở rộng).

Thiết kế hệ thống

+------------------------------------------------------------------------+
|                          SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN                        |
+------------------------------------------------------------------------+
 [Nguồn 220VAC] ---> [Aptomat CB] ---> [Nút E-Stop / Start-Stop]
                                            |
                         +------------------+------------------+
                         |                                     |
                [Biến tần VFD Motor A]               [Biến tần VFD Motor B]
                         |                                     |
             [Động cơ kéo A (0.2kW)]               [Động cơ kéo B (0.4kW)]
                         |                                     |
             [Bộ truyền Xích 50B]                  [Bộ truyền Xích 50B]
                         |                                     |
        +----------------+----------------+                    |
        |                                 |                    |
[Vít tải nạp liệu]            [Cặp bánh răng ăn khớp]   [Trục đập cánh 45°]
(Tốc độ: 70 rpm)               [Trục ép rãnh khía]      (Tốc độ: 70-120 rpm)
                              (Tốc độ: 120 rpm)                |
                                      |                        |
                                      v                        v
                            (Giai đoạn 1: Ép vỡ)      (Giai đoạn 2: Tách hạt)
                                                               |
                                                   [Lồng sàng lưới Inox ø10]
                                                               |
                                            +------------------+------------------+
                                            |                                     |
                                     [Máng thu Hạt]                        [Cửa xả Vỏ]

1. Tính toán động học và công suất truyền động

Lực cần thiết để nén vỡ quả lựu được đo đạc thực nghiệm trung bình là $F = 255\text{ N}$. Suy ra mỗi con lăn ép chịu một lực phân bổ $F_r = 130\text{ N}$.

• Đường kính trục ép: $D_r = 120\text{ mm} \implies r = 0.06\text{ m}$.
• Vận tốc góc của trục ép đặt ở $n_{lv} = 120\text{ rpm}$ ($T = 0.5\text{ s}$): $$\nu = \frac{\pi \cdot D_r \cdot n_{lv}}{60} = \frac{3.1416 \cdot 0.12 \cdot 120}{60} = 0.754\text{ m/s}$$
• Công suất có ích trên trục con lăn: $$P_{lv} = \frac{F_r \cdot \nu}{1000} = \frac{130 \cdot 0.754}{1000} \approx 0.098\text{ kW}$$
• Hiệu suất tổng thể hệ dẫn động ($\eta = \eta_{xich} \cdot \eta_{ổ} \cdot \eta_{brt} = 0.96 \cdot 0.99 \cdot 0.97 \approx 0.921$): $$P_{ct} = \frac{P_{lv}}{\eta} = \frac{0.098}{0.921} \approx 0.108\text{ kW}$$

Để đảm bảo hệ số an toàn khi quá tải hoặc quả có kích thước lớn đột xuất, động cơ Motor A được chọn với công suất định mức $0.2\text{ kW} - 0.4\text{ kW}$, kết nối qua hộp giảm tốc và bộ truyền xích bước 50B.

2. Thông số kỹ thuật chi tiết các cụm cơ khí

• Vít tải cấp liệu (Screw Conveyor): Bước xoắn $P = 100\text{ mm}$, đường kính cánh vít $100\text{ mm}$, tốc độ quay $70\text{ rpm}$, giúp đẩy lựu lần lượt vào buồng ép.
• Cặp trục con lăn ép (Rollers): Đường kính $\phi 120\text{ mm}$, phay rãnh dọc (fluted channels) để tạo ngàm bám ma sát kéo quả; khoảng hở giữa 2 đỉnh răng con lăn $Gap = 20\text{ mm}$.
• Ống sàng đục lỗ (Perforated Tube): Gia công từ Inox 304 tấm uốn tròn đường kính $\phi 300\text{ mm}$, chiều dài $600\text{ mm}$, đột lỗ tròn $\phi 10\text{ mm}$ (khoảng cách tâm lỗ $15\text{ mm}$).
• Trục cánh đập (Paddles Shaft): Bố trí các cánh đập thép không gỉ hàn nghiêng một góc $45^\circ$ theo dạng xoắn ốc; chiều cao cánh $145\text{ mm}$, duy trì khe hở tới thành ống sàng đúng $5\text{ mm}$ nhằm quét đẩy vỏ lựu ra ngoài mà không làm kẹt dập hạt.
• Gối đỡ và ổ lăn: Sử dụng 4 cụm gối đỡ bạc đạn UCP204 / UCP405 định vị chắc chắn trên khung thép hộp $40 \times 40 \times 1.8\text{ mm}$.

---

Implementation và kết quả

Quy trình gia công chế tạo

Quá trình chế tạo được thực hiện theo tiêu chuẩn cơ khí chính xác tại xưởng thực hành:

[Phôi thép tròn C45 / Inox 304]
      │
      ├─► Tiện khỏa mặt đầu, tiện bậc lắp vòng bi UCP ──► [Tiện trục & Con lăn]
      ├─► Phay rãnh then, phay mặt nghiêng 45° ─────────► [Phay cánh đập]
      ├─► Đột lỗ CNC ø10mm trên Inox tấm 201/304 ──────► [Uốn lốc Ống sàng ø300]
      ├─► Cắt dây EDM bánh răng ăn khớp trục ép ────────► [Cặp bánh răng trụ]
      └─► Hàn gá khung thép hộp, kiểm tra biến dạng ────► [Lắp ráp hoàn thiện]

// Mã giả thuật toán điều khiển biến tần qua vi điều khiển / PLC
void Machine_Control_Loop() {
    float default_hz_smash = 50.0; // Tương đương 120 rpm
    float default_hz_squeeze = 35.0; // Tương đương 70 rpm
    
    if (Read_Input(START_BUTTON) == HIGH && Read_Input(ESTOP) == NORMAL) {
        Relay_Main_Power(ON);
        VFD_SetFrequency(MOTOR_A_SQUEEZE, default_hz_squeeze);
        VFD_SetFrequency(MOTOR_B_SMASH, default_hz_smash);
        Start_Inverter(MOTOR_A_SQUEEZE);
        Start_Inverter(MOTOR_B_SMASH);
        System_State = RUNNING;
    }
    
    while (System_State == RUNNING) {
        if (Read_Input(ESTOP) == TRIGGERED || Read_Current(MOTOR_A) > OVERLOAD_LIMIT) {
            Stop_Inverter_Instant(MOTOR_A_SQUEEZE);
            Stop_Inverter_Instant(MOTOR_B_SMASH);
            Relay_Main_Power(OFF);
            Trigger_Alarm_Buzzer();
            System_State = EMERGENCY_STOP;
            break;
        }
        Monitor_Vibration_And_Thermal();
    }
}

Kiểm nghiệm mô phỏng kết cấu (FEA)

Mô hình khung bệ được kiểm tra phần tử hữu hạn trên SolidWorks Simulation 2017:

• Tải trọng tác dụng: Lực tổng hợp $P_{total} = 850\text{ N}$ (gồm tự trọng cụm động cơ, lực xoắn của xích và phản lực nén).
• Ứng suất Von Mises lớn nhất: $\sigma_{max} = 2.45 \times 10^7\text{ N/m}^2$, thấp hơn rất nhiều so với giới hạn chảy của thép kết cấu $S_y = 2.35 \times 10^8\text{ N/m}^2$ (Hệ số an toàn $FoS > 9.5$).
• Chuyển vị lớn nhất: $Displacement_{max} = 0.042\text{ mm}$, đảm bảo tâm trục không bị lệch trong quá trình làm việc liên tục.

+------------------------------------------------------------------------+
|             KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KIỂM ĐỊNH KẾT CẤU KHUNG                |
+------------------------------------------------------------------------+
  Thông số                      Giá trị mô phỏng       Ngưỡng an toàn
  ──────────────────────────────────────────────────────────────────────
  Ứng suất Von Mises (Max)       24.5 MPa               < 235.0 MPa (Thép C45)
  Chuyển vị uốn lệch trục        0.042 mm               < 0.150 mm
  Hệ số an toàn bền (FoS)        9.58                   > 2.50
  Biến dạng dẻo tương đối        0.00012 %              Không trễ biến dạng
+------------------------------------------------------------------------+

Thử nghiệm thực nghiệm và đánh giá định lượng

Máy được vận hành thử nghiệm qua 3 giai đoạn: chạy không tải, nạp liệu thử nghiệm 1 (5 kg) và nạp liệu thử nghiệm 2 (15 kg).

+------------------------------------------------------------------------+
|                  BIỂU ĐỒ NĂNG SUẤT & TỶ LỆ TÁCH HẠT                    |
+------------------------------------------------------------------------+
 100% ┼─────────────────────────────────────────────────── Tách hạt 90% (Mục tiêu)
      │
  80% ┼────────────────────────────── Tách hạt 75% (Thực tế Test 2)
      │                     ┌─────┐
  60% ┼                     │     │
      │       ┌─────┐       │     │
  40% ┼       │     │       │     │
      │       │     │       │     │
  20% ┼       │     │       │     │
      │       │     │       │     │
   0% ┴───────┴─────┴───────┴─────┴───────────────────────
             Lần 1 (5 kg)   Lần 2 (15 kg)
             Tốc độ 60rpm   Tốc độ 85rpm

• Tỷ lệ thu hồi hạt sạch: Đạt $70.5%$ ở lần test 1 và tăng lên $75.2%$ ở lần test 2 khi nâng tần số biến tần trục đập lên 40 Hz ($\approx 85\text{ rpm}$).
• Tỷ lệ hạt bị dập vỡ: Dưới $4.8%$, phần lớn nhờ duy trì khe hở $5\text{ mm}$ giữa cánh đập và thành lồng sàng.
• Năng suất thực tế: Đạt $120 - 150\text{ kg lựu/giờ}$, cao gấp 10 lần so với tách thủ công cùng định biên 1 nhân công nạp liệu.
• Độ tự thoát vỏ: Vỏ lựu sau khi đập vỡ được quét xoắn ốc và thoát hoàn toàn ra cửa xả cuối lồng sàng trong vòng 4–6 giây.

---

Đổi mới và đóng góp

1. Cơ cấu phân tầng 2 cấp nén - đập liên hoàn: Khác với các dòng máy nhập khẩu chỉ có buồng đập quay đơn thuần dễ gây kẹt quả lớn, hệ thống tích hợp cụm vít tải ép dẫn hướng giúp quả được chia thành các mảnh nhỏ kích thước 30–50 mm trước khi đi vào lồng đập.
2. Tối ưu hóa hình học cánh đập góc $45^\circ$: Cánh đập góc nghiêng kết hợp khe hở an toàn $5\text{ mm}$ vừa đảm bảo đủ động năng bóc tách hạt ra khỏi màng xốp, vừa tạo lực dọc trục đẩy vỏ ra ngoài, giảm tỷ lệ hạt vỡ xuống dưới $5%$.
3. Khả năng nội địa hóa và tối ưu chi phí: Toàn bộ chi tiết được tính toán gia công bằng máy công cụ phổ thông (tiện, phay, đột dập, cắt dây) với tổng dự toán chế tạo dưới 25 triệu VNĐ, tiết kiệm hơn $90%$ so với máy công nghiệp nhập khẩu ($10.000\text{ USD}$).
4. Linh hoạt nguồn điện và tốc độ: Nhờ tích hợp biến tần điều khiển động cơ 1 pha 220V, người vận hành có thể hiệu chỉnh tốc độ thích ứng với các giống lựu có độ dày vỏ và độ chín khác nhau.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

• Cơ sở chế biến nước ép nguyên chất & siro lựu (Grenadine): Máy đóng vai trò thiết bị tiền xử lý nạp liệu cho máy ép lạnh thủy lực, nâng công suất trích ly dịch quả lên 2–3 tấn/ngày.
• Xưởng sản xuất dược - mỹ phẩm: Tách riêng vỏ lựu sạch để sấy khô chiết xuất hợp chất punicalagin/polyphenol và ép dầu hạt lựu giàu punicic acid ($65.3%$).

[Vườn lựu / Thu hoạch] ──► [Rửa quả & Phân loại]
                                 │
                                 ▼
                     [MÁY TÁCH VỎ BÓC HẠT ĐỒ ÁN]
                                 │
                 ┌───────────────┴───────────────┐
                 ▼                               ▼
       [Hạt lựu nguyên tép]            [Vỏ lựu sạch màng]
                 │                               │
        ┌────────┴────────┐                      ▼
        ▼                 ▼             [Sấy khô & Nghiền]
  [Nước ép lạnh]   [Cấp đông IQF]                │
                                                 ▼
                                        [Chiết xuất Dược liệu]

Phân tích tài chính và thời gian hoàn vốn (ROI)

• Chi phí đầu tư thiết bị: 22.000.000 VNĐ.
• Tiết kiệm nhân công: Thay thế 6 lao động thủ công (chi phí: 6 người $\times$ 6.000.000 VNĐ/tháng = 36.000.000 VNĐ/tháng).
• Chi phí vận hành: Điện năng tiêu thụ $0.6\text{ kWh/giờ} \approx 12.000\text{ VNĐ/ngày}$ + bảo trì định kỳ $500.000\text{ VNĐ/tháng}$.
• Thời gian hoàn vốn (Payback Period): $$T_{hoàn_vốn} = \frac{22.000.000}{36.000.000 - 800.000} \approx 0.62\text{ tháng } (\sim 19\text{ ngày làm việc})$$

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Khe hở giữa 2 trục con lăn cố định ở mức $20\text{ mm}$, chưa có cơ chế tự thích ứng tự động (dynamic spring gap) khi quả có kích thước phân bố không đồng đều ($< 50\text{ mm}$ hoặc $> 110\text{ mm}$).
• Tỷ lệ tách sạch hạt thực tế ($75%$) còn dư khoảng $25%$ hạt dính lại trên các mảng vỏ lớn do chiều dài lồng sàng thực nghiệm còn ngắn ($600\text{ mm}$).
• Vật liệu khung ngoài dùng thép mạ Crôm có nguy cơ bong tróc theo thời gian nếu bảo dưỡng trong môi trường axit citric của dịch lựu không tốt.

Định hướng nâng cấp

1. Cải tiến cơ khí: Tăng chiều dài lồng sàng lên $900\text{ mm}$, bọc cao su thực phẩm đàn hồi trên bề mặt cánh đập để triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ dập hạt.
2. Tự động hóa thông minh (IoT & Sensors): Tích hợp cảm biến lực loadcell tại phễu nạp liệu và biến tần điều khiển vòng kín (closed-loop) tự động điều chỉnh tốc độ trục theo lưu lượng nạp.
3. Vật liệu tiêu chuẩn: Chuyển đổi $100%$ kết cấu khung và chi tiết tiếp xúc sang thép không gỉ SUS304 đạt chuẩn NSF/FDA.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên & Học viên ngành Cơ điện tử / Chế tạo máy: Tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về chuỗi quy trình từ tính toán động lực học, mô phỏng FEA trên SolidWorks, đến quy trình công nghệ gia công chi tiết (tiện, phay, đột dập, hàn Inox).
• Kỹ sư R&D & Nhà chế tạo máy: Mẫu thiết kế cơ sở với đầy đủ công thức động học, thông số bước xích 50B, module bánh răng và bản vẽ điện động lực điều khiển biến tần.
• Hộ kinh doanh & Doanh nghiệp chế biến nông sản: Giải pháp công nghệ với chi phí đầu tư thấp, khả năng hoàn vốn dưới 1 tháng, giúp nâng cao giá trị gia vị hạt lựu (anardana) và nước ép thương phẩm.
• Nhà nghiên cứu sau thu hoạch: Nguồn số liệu thực nghiệm về cơ lý tính quả lựu (lực ép $255\text{ N}$, tốc độ đập tối ưu $70 - 85\text{ rpm}$, kích thước lỗ sàng $\phi 10\text{ mm}$).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật điện và cơ khí để lắp đặt máy là gì?

Máy sử dụng nguồn điện dân dụng 1 pha 220V/50Hz thông dụng. Công suất tổng của 2 động cơ từ $0.6 - 0.75\text{ kW}$, không yêu cầu hạ trạm biến áp 3 pha. Diện tích sàn lắp đặt chỉ cần tối thiểu $1.2\text{ m} \times 0.8\text{ m}$, có hệ thống thoát nước sàn để phục vụ vệ sinh sau ca làm việc.

2. Làm thế nào để tăng tỷ lệ tách sạch hạt từ 75% lên trên 90%?

Để đạt hiệu suất trên $90%$, cần thực hiện 2 hiệu chỉnh: (1) Giảm khoảng cách giữa 2 trục con lăn ép từ $20\text{ mm}$ xuống $14 - 16\text{ mm}$ để vỏ lựu vỡ thành 4–6 mảnh nhỏ hơn; (2) Tăng tần số biến tần của Motor B để trục cánh đập đạt vận tốc $90 - 100\text{ rpm}$, tạo lực đập ly tâm mạnh hơn.

3. Vỏ lựu có bị nghiền nát gây đắng nước ép hay không?

Không. Khác với các dòng máy xay nghiền trục vít ép đùn, máy sử dụng nguyên lý "nén nứt vỏ" kết hợp "đập rơi tự do". Vỏ lựu chỉ bị nứt thành các mảng lớn và màng xốp được tách rời mà không bị nghiền nhuyễn, do đó dịch đắng từ tannin trong vỏ không bị giải phóng vào hạt lựu.

4. Quy trình bảo trì và vệ sinh an toàn thực phẩm như thế nào?

Cụm ống sàng Inox và máng hứng hạt được thiết kế dạng module tháo nhanh bằng chốt then và bu lông tai hồng. Sau mỗi ca làm việc, người vận hành chỉ cần tháo lồng sàng, dùng vòi xịt nước áp lực cao rửa trôi bã vỏ bám dính và sấy khô trong vòng 10–15 phút.

5. Chi phí chế tạo và thời gian khấu hao của thiết bị là bao nhiêu?

Tổng chi phí vật tư và gia công hoàn thiện máy mẫu dao động từ 20 – 25 triệu VNĐ. Với chu kỳ hoạt động 8 giờ/ngày và kết cấu gối đỡ UCP tiêu chuẩn, tuổi thọ khung máy đạt trên 5 năm, chi phí khấu hao thiết bị chỉ chiếm khoảng 12.000 VNĐ/ngày.

---

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Design and Manufacture Pomegranate Peeling Machine" của nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử – Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán cơ giới hóa công đoạn bóc tách hạt lựu phục vụ chế biến thực phẩm. Thông qua việc kết hợp cơ cấu ép vỡ vỏ sơ bộ và trục đập ly tâm lồng sàng Inox 304, thiết bị đạt năng suất $120 - 150\text{ kg/h}$, giảm thiểu tỷ lệ dập vỡ hạt dưới $5%$ và tiết kiệm hơn $90%$ chi phí đầu tư so với dây chuyền công nghiệp nhập ngoại. Đây là mô hình máy chế biến nông sản giàu tiềm năng thương mại hóa, góp phần gia tăng chuỗi giá trị cho nông sản và nâng cao năng lực cạnh tranh cho các doanh nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ DESIGN AND MANUFACTURE POMEGRANATE PEELING MACHINE GVHD: VŨ QUANG HUY SVTH: LÊ HỒNG DUY MSSV: 14146263 SVTH: NGUYỄN VIỆT DUY ANH MSSV: 14146006 SKL 0 0 6 7 0 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2018 do an UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING DEPARTMENT OF MECHATRONICS TECHNOLOGY GRADUATION THESIS DESIGN AND MANUFACTURE POMEGRANATE PEELING MACHINE ADVISOR: PhD VU QUANG HUY STUDENT’S NAME: LE HONG DUY NGUYEN VIET DUY ANH STUDENT’S ID: 14146263 14146006 ACADEMIC YEAR: 2018 MAJOR: MECHATRONICS ENGINEERING TECHNOLOGY Ho Chi Minh City, March 15th 2018 do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ----***---- Ho Chi Minh City, March 15th 2017 MISSION OF THESIS Student’s name: Lê Hồng Duy Student’s ID: 14146263 Student’s name: Nguyễn Viết Duy Anh Student’s ID: 14146006 Major: Mechatronics Engineering Technology Class: 14146CL1 Advisor: PhD Vu Quang Huy Phone number: Delivery date: Submission date: 1. Title of thesis: Design and Manufacture Pomegranate peeling machine 2. The original data, documents: 3.

Product: Dean of Department Advisor i do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ----***---- ADVISOR’S COMMENT Student’s name: Lê Hồng Duy. Student’s ID: 14146263 Student’s name: Nguyễn Viết Duy Anh. Student’s ID: 14146006 Major: Mechatronics Engineering Technology. Title of thesis: Design and manufacture pomegranate peeling machine.

Advisor’s name: PhD Vu Quang Huy. The content of thesis and the workload:. Project defence approval:. ) Ho Chi Minh City, March 2017 Advisor (Name, signature) ii do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ----***---- REVIEWER’S COMMENT Student’s name: Lê Hồng Duy.

Student’s ID: 14146263 Student’s name: Nguyễn Viết Duy Anh. Student’s ID: 14146006 Major: Mechatronics Engineering Technology. Title of thesis: Design and manufacture pomegranate peeling machine. The content of thesis and the workload:.

Project defence approval:. ) Ho Chi Minh City, March 2017 Reviewer (Name, signature) iii do an Today, science and technology have been applied very widely in all aspects of life. The achievements of science and technology have contributed greatly to the reform and development, raising the value of product quality and promoting the production process and improving the lives of people. For a country with agricultural strength like Vietnam, the exploitation and processing of fruit has contributed a considerable part of our economy.

Recognizing this problem, our team has researched and developed the pomegranate peeling machine. Pomegranate is a fruit that is difficult to remove its shell to get seeds. In Vietnam, most of the pomegranate processing establishments are purely manual processes. We created this machine in the hope of contributing to reducing the amount of work a worker has to do, improving the quality of the product produced, promoting the fruit processing industry.

Since the project is done with knowledge and time is limited, mistakes are unavoidable. With the expectation of learning, I would like to receive the comments and instruct from the instructors more, so that we can have more experience to do better in the next time. I sincerely thank all the teachers, the friend and the brothers in The Hai Limited Liability Company who have guided and helped during all time we researched and developed this project. I am also very grateful PhD.

Vu Quang Huy is the direct guide and instruct us extremely dedicated to complete this project about the pomegranate peeling machine. Sincerely, Le Hong Duy Nguyen Viet Duy Anh Ho Chi Minh city, 27th April 2018 iv do an Contents MISSION OF THESIS .ii REVIEWER’S COMMENT. iv LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES.

xi CHAPTER 1: INTRODUCTION. The necessary of topic. The reason of topic. The term of project.

The target of project. Research method of topic. The process of design. 3 CHAPTER 2: OVERVIEW THE POMEGRANATE.

General about the pomegranate. Fruit, arils and seeds. In traditional medicine. 15 CHAPTER 3: OVERVIEW THE POMEGRANATE PEELING MACHINE.

Pomegranate peeling machine and peeling machine's structure of operations in industry. The pomegranate peeling machine made by Zhengzhou Yize Machinery CO. The perforated tube and the paddles shaft. Frame and transmission motors.

Specifications of the machine:. Advantages and disadvantages of the machine. The pomegranate peeling machine made by Pelamatic. Specifications of the machine.

Advantages and disadvantages of the machine. 24 CHAPTER 4: CALCULATE AND DESIGN THE POMEGRANATE PEELING SYSTEM. Choose plan for pomegranate peeling system. Choose plan for part used to squeeze the pomegranate.

Choose plan for part used to smash the pomegranate pieces. Preliminary design of the mechanical model frame. Operating principle of the pomegranate peeling machine. Design for size of parts in system.

Calculation and choice motor. Motor of Squeeze part. Determination power of motor. Motor of smash part.

Determination power of motor. Choice Gears transmission. Calculation endurance of Chain transmission. Calculation, testing endurance of the frame.

Testing the endurance of frame. Design electrical circuit system:. Design electric circuit dynamics:. 48 CHAPTER 5: DESIGN AND IMPLEMENT THE POMEGRANATE PEELING MACHINE.

Make frame for the pomegranate peeling machine. Drill on square steel to install bearings. Welding and assembling of steel frame. Make the part used to squeeze the pomegranate.

Make the screw conveyor. Uses and technical requirements of the screw conveyor. Machining machinery of the screw conveyor. Make the rollers.

Uses and technical requirements of the rollers. Machining machinery of the roller. Make the part used to smash the pomegranate pieces. Make the perforated tube.

Uses and technical requirements of the perforated tube. Machining machinery of the perforated tube. Make the paddles shaft. 65 vi do an 5.

Uses and technical requirements of the paddles shaft. Machining machinery of the paddles shaft. Some pictures of the machining process. Test the operation of the pomegranate peeling machine.

Test the operation of the machine when it’s empty. Test the operation of the machine when supplying pomegranates first time. Test the operation of the machine when supplying pomegranates second time. Improved for the pomegranate peeling machine.

Develop automation for the machine when used in industry. 126 vii do an List of figures Figure 1. Fruit of Punica granatum split open to reveal the clusters of juicy, gem-like seeds on the inside. The pomegranate trees.

An opened pomegranate. Illustration by Otto Wilhelm Thomé, 1885. A stall selling pomegranate juice in Xi'an, China. A bowl of ash-e anar, a Persian/Iranian soup made with pomegranate juice.

Pomegranate Seeds Nutrition. Pomegranate – Nutritional Facts per 100g. Pomegranate Seeds Benefits. Pomegranate pelling machine is made by Zhengzhou Yize Machinery CO.

The perforated tube. The paddles shaft. Frame and transmission motors of the pomegranate peeling machine. The pomegranate peeling machine made by Pelamatic.

the people take the old pomegranate parts out of the machine. The worker is putting pomegranates into the machine. The machine is peeling the pomegranates. Preliminary design of the machine.

Left side view of machine. Top view of machine. Size of the screw. Roller and Cover.

Size of roller. Size of perforated tube. Front view of paddles shaft. Left side view of paddles shaft.

Rollers use gear transmission. Parameters of chain 50B series. Chain Drivers in Pomegranate peeler machine. Top view of frame.

Left side view of frame. Specifications of UCP204. Deformation of the frame when simulated by force according to Solidwork 2017 software. Simulate plastic deformation for the machine frame.

Simulate the displacement of the details on the frame after being impact. Electric circuit of machine. Electric circuit when CB on .48 viii do an Figure 4. Press Start button.

Release Start button. Press E-Stop button. Adjust Hz to control speed of motor by inverter. Positions of the holes and size of steel square on the machine’s frame design.

Steel frame was welded and assembled. Lathe the face of the shaft and drill it. Lathing cylindrical for the first head of the shaft. Lathing cylindrical for the second head of the shaft.

Milling paddles ’s surface. Lathing the roller 's faces and drilling it. Lathing cylindrical for the roller. Internal boring for the roller.

Lathing the shaft ‘s faces and drilling it. Lathing cylindrical for the shaft. Milling channel for the roller. Dimensions of stainless steel sheet 201 to make the perforated tube.

The stainless steel sheet with holes on surface. The perforated tube finished. Lathe the face and drill the paddle coupling. Drill and tap the paddle coupling.

Milling paddles ’s surface. Milling 45 degrees for the paddles. Lathe the face of the shaft and drill it. Lathing cylindrical for the second head of the shaft.

Lathing cylindrical for the second head of the shaft. Work-pieces for making the shafts. Cutting some pieces of steel 1mm to make screw conveyor. Welding pieces of steel to the shaft.

Lathing cylindrical the screw conveyor. Welding paddles to the shaft. Drilling holes on stainless steel sheet. Honing the stainless steel sheet after drilling.

Finish making the perforated tube. Work-pieces for making the paddles. Milling paddles ‘s surfaces. Milling 45 degrees for the paddles.

Using milling machine to mill 45 degrees for the paddles. Finish milling for the paddles. Lathing the paddle coupling ‘s and drilling it. Tapping the paddle coupling.

Connect the paddle coupling to the paddle. Welding the paddle coupling to the shaft. Error! Bookmark not defined. Finish making the paddles shaft.

Connect the paddle coupling to the paddle on the shaft. Lathing the roller ‘s faces and drilling it. Drilling through the roller .92 ix do an Figure 5. Lathing cylindrical for the roller.

Lathing the roller 's top. Drilling through the roller 's top. Milling channel for the roller. Milling keygroove for the roller.

Finish making the rollers. Wire cutting-off for the mating gears. Drill on square steel to install bearings. Welding the frame.

Assembling the roller into the frame. Assembling the screw conveyor into the frame. Internal boring for the gear. Drilling for the gear.

CNC milling for the motor 's base. Install the electric circuit for the machine. Drilling the distribution board. Install the electric circuit into the distribution board.

Finish assembling parts of the machine into the frame. The parts are thoroughly plated before assembling machine. Finish making the pomegranate peeling machine. The screw conveyor and the rollers are running when the machine is empty.

Checking the distribution board to ensure proper control. Checking the START button. Checking E-stop button. Test the operation of the machine when it’s empty.

Part 1 of the machine is squeezing the pomegranate. Part 2 of the machine is smashing pieces of the pomegranate which fall out from part 1. The pomegranate's shells fall out from part 2. The seeds obtained after the first test.

Part 1 of the machine is squeezing the pomegranate. The seeds obtained after the second test. The shells obtained after the second test. The seeds obtained and the shells is falling out from part 2 in second test .124 x do an List of tables Table 3.1: Specifications of the pomegranate peeling machine made by Zhengzhou Yize Machinery CO .2: Specifications of the pomegranate peeling machine made by Pelematic .1: Chain Drivers Specifications .2: Result of formula (4.