Tổng quan nghiên cứu

Ca cao là nguyên liệu chính để sản xuất các sản phẩm phổ biến như sô cô la và bột ca cao, được tiêu thụ rộng rãi trên toàn cầu. Quy trình chế biến hạt ca cao thô gồm nhiều công đoạn, trong đó công đoạn cắt vỏ cứng trái ca cao chiếm nhiều thời gian và sức lao động. Tại Việt Nam, công đoạn này chủ yếu được thực hiện thủ công, dẫn đến năng suất thấp và tiềm ẩn nguy cơ tai nạn lao động. Các máy cắt vỏ cứng trái ca cao hiện có trên thị trường cũng tồn tại nhiều hạn chế như năng suất thấp, cắt không đạt yêu cầu, và tạo ra nhiều vỏ vụn lẫn vào hạt.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo một máy cắt vỏ cứng trái ca cao dựa trên nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa và ru lô dẫn hướng, nhằm cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc mà không làm vỡ vụn vỏ hay cắt phạm vào hạt. Nghiên cứu tập trung vào các giống ca cao phổ biến ở Việt Nam với kích thước trung bình chiều dài từ 15 đến 20 cm, đường kính từ 7 đến 9 cm, và khối lượng từ 200 đến 1000 g. Nghiên cứu được thực hiện tại thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang, trong khoảng thời gian gần đây, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng công đoạn cắt vỏ, giảm sức lao động và tai nạn lao động, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường ca cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí liên quan đến thiết kế máy cắt và truyền động cơ khí, bao gồm:

  • Lý thuyết cơ học vật liệu: Xác định lực cắt cần thiết để cắt vỏ cứng trái ca cao mà không làm hư hại hạt bên trong.
  • Mô hình ma sát và truyền động: Xác định hệ số ma sát giữa trái ca cao và vật liệu thép CT3 của ru lô dẫn hướng để thiết kế hệ thống dẫn động hiệu quả.
  • Nguyên lý cắt bằng dao đĩa và ru lô dẫn hướng: Thiết kế bộ phận cắt và dẫn hướng sao cho trái ca cao được cắt chính xác theo chiều dọc, đảm bảo không làm vỡ hạt và giảm lượng vỏ vụn.
  • Khái niệm về năng suất và hiệu quả máy móc: Đánh giá năng suất máy dựa trên số lượng trái ca cao được cắt trong một giờ và chất lượng sản phẩm đầu ra.

Các khái niệm chính bao gồm: lực cắt, hệ số ma sát, công suất động cơ, thiết kế dao cắt, và cơ cấu ru lô dẫn hướng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp phân tích lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khảo sát kích thước và đặc tính của 300 trái ca cao thuộc 8 dòng giống phổ biến tại Việt Nam (TD1, TD2, TD3, TD5, TD6, TD8, TD10, TD14) tại Mỹ Tho, Tiền Giang.
  • Phương pháp phân tích: Xử lý số liệu thống kê về kích thước trái ca cao (chiều dài, chiều rộng, chiều dày vỏ), xác định phân phối xác suất và các thông số trung bình để làm cơ sở thiết kế.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm xác định hệ số ma sát giữa trái ca cao và thép CT3, lực cắt cần thiết, tốc độ quay của dao cắt, tốc độ hệ thống ru lô dẫn hướng. Thử nghiệm máy thực tế để đánh giá năng suất và chất lượng cắt.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm khảo sát, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy.

Cỡ mẫu 300 trái ca cao được chọn nhằm đảm bảo tính đại diện cho các dòng giống phổ biến, phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên tại vùng trồng chính. Phân tích số liệu sử dụng các công cụ thống kê cơ bản và phần mềm hỗ trợ thiết kế như Autodesk Inventor Professional 2015 và Ansys Workbench 15.1.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kích thước trái ca cao: Chiều dài trung bình là 155,3 mm, chiều rộng trung bình 86,0 mm, chiều dày vỏ trung bình 18,4 mm. Phân phối kích thước cho thấy đa số trái ca cao nằm trong khoảng 120-190 mm chiều dài và 72-105 mm chiều rộng, phù hợp với thiết kế dao cắt và ru lô dẫn hướng.

  2. Lực cắt và hệ số ma sát: Lực cắt trung bình xác định qua thực nghiệm cho thấy máy cần công suất đủ để cắt vỏ cứng mà không làm vỡ hạt. Hệ số ma sát giữa trái ca cao và thép CT3 được xác định giúp thiết kế ru lô dẫn hướng hiệu quả, đảm bảo trái ca cao di chuyển ổn định trong quá trình cắt.

  3. Năng suất máy: Máy cắt vỏ cứng trái ca cao đạt năng suất khoảng 3 trái/giây, tương đương khoảng 10.800 trái/giờ, vượt trội so với phương pháp thủ công và nhiều máy hiện có trên thị trường. Trái ca cao được cắt đôi theo chiều dọc chính xác, không làm đứt hạt và giảm thiểu vỏ vụn lẫn vào hạt.

  4. Chất lượng cắt: Kết quả thử nghiệm cho thấy máy cắt không làm vỡ vụn vỏ ca cao, hạt bên trong không bị tổn thương, đảm bảo chất lượng hạt cho các công đoạn lên men và chế biến tiếp theo.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa kết hợp ru lô dẫn hướng là giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất và chất lượng cắt vỏ cứng trái ca cao. So với các máy tách hạt ca cao hiện có như máy Pinhalense (năng suất 1.200 kg/giờ) hay máy Cobre (3.000 quả/giờ), máy nghiên cứu có năng suất cao hơn và giảm thiểu tổn thương hạt.

Nguyên nhân chính là do thiết kế bộ phận dẫn và sửa hướng giúp định vị chính xác trái ca cao, kết hợp với dao cắt có đường kính và góc độ phù hợp dựa trên khảo sát kích thước thực tế của trái ca cao Việt Nam. Việc xác định lực cắt và hệ số ma sát chính xác cũng giúp tối ưu công suất động cơ, giảm tiêu hao năng lượng.

So sánh với phương pháp thủ công, máy cắt giúp giảm đáng kể thời gian và sức lao động, đồng thời hạn chế tai nạn lao động do thao tác bằng tay. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân phối kích thước trái ca cao và bảng so sánh năng suất giữa các phương pháp cắt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất máy cắt vỏ cứng trái ca cao quy mô công nghiệp: Tập trung vào các vùng trồng ca cao chính như Đồng Bằng Sông Cửu Long, Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. Mục tiêu nâng cao năng suất cắt lên ít nhất 10.000 trái/giờ trong vòng 1 năm, do các doanh nghiệp chế biến ca cao thực hiện.

  2. Đào tạo vận hành và bảo trì máy cho công nhân: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành, bảo dưỡng máy nhằm đảm bảo máy hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ. Thời gian đào tạo dự kiến 3 tháng, do các trung tâm kỹ thuật nông nghiệp phối hợp thực hiện.

  3. Nghiên cứu cải tiến thiết kế dao cắt và ru lô dẫn hướng: Tiếp tục tối ưu hóa các thông số kỹ thuật như đường kính dao, góc cắt, vật liệu dao để nâng cao độ bền và hiệu quả cắt. Thời gian nghiên cứu cải tiến dự kiến 6 tháng, do các viện nghiên cứu cơ khí nông nghiệp đảm nhiệm.

  4. Phát triển hệ thống cấp phôi tự động và tích hợp với máy tách hạt hoàn chỉnh: Mục tiêu xây dựng dây chuyền tự động hóa hoàn chỉnh từ cấp phôi đến tách hạt, giảm thiểu thao tác thủ công, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Dự kiến thực hiện trong 1-2 năm, phối hợp giữa các trường đại học và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến ca cao: Nghiên cứu giúp cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí lao động và tai nạn lao động.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ khí và nông nghiệp: Là tài liệu tham khảo để phát triển các thiết bị cơ khí phục vụ ngành chế biến nông sản, đặc biệt là ca cao.

  3. Nhà quản lý và chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ cơ giới hóa trong sản xuất ca cao, góp phần phát triển kinh tế vùng trồng ca cao.

  4. Nông dân và hợp tác xã trồng ca cao: Giúp hiểu rõ về công nghệ mới, từ đó áp dụng các thiết bị cơ khí để nâng cao hiệu quả sản xuất và cải thiện điều kiện lao động.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cắt vỏ cứng trái ca cao có thể áp dụng cho các giống ca cao khác nhau không?
    Máy được thiết kế dựa trên khảo sát 8 dòng giống phổ biến ở Việt Nam với kích thước trái ca cao đa dạng, do đó có thể áp dụng hiệu quả cho các giống này và tương tự. Ví dụ, các dòng TD1, TD6 đều được thử nghiệm thành công.

  2. Năng suất của máy so với phương pháp thủ công như thế nào?
    Máy đạt năng suất khoảng 3 trái/giây, tương đương 10.800 trái/giờ, cao hơn nhiều so với phương pháp thủ công chỉ vài trăm trái/giờ, giúp giảm thời gian và sức lao động đáng kể.

  3. Máy có làm hư hại hạt ca cao trong quá trình cắt không?
    Kết quả thử nghiệm cho thấy máy cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc mà không làm đứt hạt hay vỡ vụn vỏ, đảm bảo chất lượng hạt cho các công đoạn tiếp theo như lên men và sấy.

  4. Chi phí đầu tư và vận hành máy có phù hợp với các doanh nghiệp nhỏ không?
    Máy được thiết kế với chi phí hợp lý, công suất động cơ và vật liệu được tối ưu để giảm chi phí vận hành. Do đó, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong ngành chế biến ca cao.

  5. Máy có thể tích hợp vào dây chuyền sản xuất tự động không?
    Máy có thể được cải tiến để tích hợp hệ thống cấp phôi tự động và kết nối với các thiết bị tách hạt, tạo thành dây chuyền sản xuất tự động, nâng cao hiệu quả và giảm nhân công.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy cắt vỏ cứng trái ca cao dựa trên nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa và ru lô dẫn hướng, phù hợp với kích thước và đặc tính của các giống ca cao phổ biến ở Việt Nam.
  • Máy đạt năng suất khoảng 3 trái/giây, vượt trội so với phương pháp thủ công và nhiều máy hiện có trên thị trường, đồng thời đảm bảo chất lượng cắt không làm hư hại hạt.
  • Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật quan trọng như lực cắt, hệ số ma sát, công suất động cơ, giúp tối ưu thiết kế và vận hành máy hiệu quả.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần cơ giới hóa công đoạn cắt vỏ cứng trái ca cao, giảm sức lao động và tai nạn lao động.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai sản xuất, đào tạo vận hành, cải tiến thiết kế và phát triển dây chuyền tự động hóa trong tương lai nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ca cao.

Mời các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ này vào sản xuất thực tế.