Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nông nghiệp giữ vai trò thiết yếu đối với nền kinh tế Việt Nam. Sự dịch chuyển cơ cấu kinh tế làm gia tăng tỷ lệ lao động tham gia vào các ngành phi nông nghiệp, dẫn đến tình trạng thiếu hụt nhân lực trong các công đoạn sản xuất và chế biến nông sản thủ công. Đậu phộng (lạc) là cây công nghiệp ngắn ngày có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao, phục vụ tiêu dùng nội địa và xuất khẩu. Tuy nhiên, các khâu sau thu hoạch, đặc biệt là công đoạn tách vỏ lụa hạt đậu phộng, phần lớn vẫn phụ thuộc vào lao động thủ công hoặc các thiết bị cơ sở có năng suất thấp và tỷ lệ hao hụt lớn.

Trước yêu cầu cấp thiết về cơ giới hóa chế biến nông sản, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Chế tạo máy của sinh viên Nguyễn Thế Vinh và Nguyễn Tài Viễn, dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Thái Sơn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (tháng 01/2016), đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, tính toán máy bóc vỏ lụa đậu phộng".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể theo đề cương giao việc:

  1. Thiết kế cơ cấu bóc vỏ lụa đậu phộng đáp ứng các chỉ tiêu ban đầu: năng suất đạt $150 - 170\text{ kg/h}$, hiệu suất bóc sạch vỏ lụa đạt $95 - 97%$, kích thước tổng thể của máy nằm trong giới hạn $1200 \times 600 \times 1500\text{ mm}$.
  2. Thiết kế cải tiến cơ cấu bóc vỏ từ dạng 2 trục cao su truyền thống sang cụm 4 trục cao su nhằm nâng cao tỷ lệ bóc sạch và hạn chế tối đa việc phải cho hạt qua máy nhiều lần.
  3. Ứng dụng phần mềm chuyên ngành để thiết kế mô hình 3D và mô phỏng hoạt động động học của toàn bộ hệ thống máy.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hạt đậu phộng thương phẩm quy mô sản xuất lớn, nguyên lý bóc tách vỏ lụa bằng cơ năng và các phần mềm thiết kế mô hình cơ khí. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán động học, động lực học, thiết kế kết cấu cơ khí cho máy bóc vỏ lụa đậu phộng (sử dụng nguyên liệu hạt đậu phộng đã qua công đoạn rang chín khô) và kiểm nghiệm thông số trên mô hình tính toán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết cơ học và chế biến thực phẩm, quá trình bóc vỏ hạt có thể thực hiện theo các nguyên lý: thủ công, va đập nhiều lần, nén ép - ma sát và dịch trượt. Đồ án lựa chọn nguyên lý bóc vỏ bằng phương pháp dịch trượt kết hợp lực nén đàn hồi thông qua các cặp trục bọc cao su. Quá trình tách vỏ lụa xảy ra khi hạt đậu di chuyển vào khe hở giữa hai trục quay ngược chiều với vận tốc vòng khác nhau, tạo nên sự chênh lệch vận tốc tiếp tuyến tại hai điểm tiếp xúc của vỏ hạt, sinh ra mô-men và lực ma sát trượt làm xé rách và bóc rời lớp vỏ lụa mà không làm vỡ nhân đậu.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khảo cứu tài liệu chuyên ngành về cơ sở thiết kế máy sản xuất thực phẩm, giáo trình chi tiết máy, các công trình nghiên cứu và dòng máy thương mại hiện có (như máy bóc vỏ lụa hạt điều của Công ty TNHH Chế tạo Thiết bị Công nghiệp Sơn Việt, máy bóc vỏ lụa đậu phộng DTJ-100).
  • Phương pháp tính toán - phân tích lý thuyết: Xác định các thông số hình học vùng làm việc ($L_{\text{nén}}, L_{\text{trượt}}$), độ biến dạng đàn hồi của lớp bọc cao su, phân tích lực nén $P$ tác dụng lên hạt đậu dựa trên lý thuyết tiếp xúc biến dạng đàn hồi và định luật bảo toàn động lượng để tính thời gian di chuyển của hạt.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế cơ khí: Tính toán động học phân phối tỷ số truyền, thiết kế các bộ truyền đai dẹt, đai thang, bộ truyền xích, tính toán kết cấu trục và sàn lắc; xây dựng mô hình không gian 3D trên phần mềm đồ họa kỹ thuật.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm các thông số thực nghiệm cơ lý tính của hạt đậu phộng (đường kính trung bình $d = 8 \div 10\text{ mm}$, khe hở làm việc $\delta = 3 \div 4\text{ mm}$, mô-đun đàn hồi cao su, hệ số Poisson $\mu = 0{,}5$) cùng hệ thống công thức, bảng tra tiêu chuẩn kỹ thuật trong sổ tay thiết kế chi tiết máy.

Thiết kế và tính toán hệ thống kỹ thuật

Hệ thống máy được thiết kế trên cơ sở cải tiến kết cấu cụm bóc vỏ: thay vì sử dụng 1 cặp trục cao su (2 trục) dẫn đến việc phải hồi lưu hạt nhiều lần, hệ thống bố trí 2 cặp trục cao su (tổng cộng 4 trục) đặt so le theo phương thẳng đứng. Hạt đậu rơi tự do từ phễu cấp liệu sẽ lần lượt đi qua cặp trục tầng trên (trục 1 - trục 2) rồi tiếp tục qua cặp trục tầng dưới (trục 3 - trục 4), thực hiện quá trình bóc vỏ lụa 2 lần liên tiếp trong một chu trình làm việc.

Cơ cấu truyền động sử dụng một động cơ điện duy nhất có công suất định mức $P_{\text{đc}} = 1{,}5\text{ kW}$, số vòng quay $n = 950\text{ vòng/phút}$. Hệ thống dẫn động kết hợp đai dẹt hai mặt, đai thang và xích để đảm bảo chiều quay và vận tốc làm việc của từng bộ phận:

  • Động cơ truyền mô-men qua bộ truyền đai dẹt làm quay trục sàn lắc (quay ngược chiều động cơ nhờ ăn khớp mặt ngoài đai dẹt), trục quạt hút vỏ và trục cao su số 1 (quay cùng chiều động cơ).
  • Trục sàn lắc dẫn động trục cao su số 2 thông qua bộ truyền đai thang, làm trục 2 quay ngược chiều trục 1.
  • Trục 1 dẫn động trục 3 và trục 2 dẫn động trục 4 qua các bộ truyền xích riêng biệt.
  • Cụm trục 2 và trục 4 được lắp cố định; cụm trục 1 và trục 3 được trang bị cơ cấu vít dịch chỉnh để thay đổi khe hở làm việc linh hoạt theo kích thước hạt.
Thông số kỹ thuật Trục động cơ Cụm trục sàn lắc Cụm trục quạt Cặp trục bóc 1 - 2 Cặp trục bóc 3 - 4
Công suất ($P$) $1{,}5\text{ kW}$ $1{,}4\text{ kW}$ - $1{,}4\text{ kW}$ / $1{,}3\text{ kW}$ $1{,}28\text{ kW}$ / $1{,}16\text{ kW}$
Số vòng quay ($n$) $950\text{ vg/p}$ $418\text{ vg/p}$ - $373\text{ vg/p}$ / $133\text{ vg/p}$ $326\text{ vg/p}$ / $116\text{ vg/p}$
Vận tốc dài ($V$) - - - $V_{n1} \approx 2{,}9\text{ m/s}$ / $V_{c2} \approx 1{,}0\text{ m/s}$ $V_{n3} \approx 2{,}5\text{ m/s}$ / $V_{c4} \approx 0{,}9\text{ m/s}$
Đoạn nén ($L_{\text{nén}}$) - - - $33{,}8\text{ mm}$ $33{,}8\text{ mm}$
Đoạn trượt ($L_{\text{trượt}}$) - - - $22{,}1\text{ mm}$ $21{,}8\text{ mm}$
Đặc tính kết cấu Động cơ điện Sàn rung phân loại Quạt hút vỏ lụa Trục 1 chỉnh khe hở, trục 2 cố định Trục 3 chỉnh khe hở, trục 4 cố định

Kích thước hình học của các trục cao su được xác định thống nhất với đường kính ngoài $D = 150\text{ mm}$ và chiều dài trục $L = 200\text{ mm}$. Thời gian hạt đậu đi qua vùng tiếp xúc nén trượt được tính toán ở mức $t \approx 0{,}02\text{ s}$, đảm bảo năng suất lý thuyết và triệt tiêu khả năng gây vỡ nát nhân đậu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh đẩy mạnh công nghiệp hóa nông nghiệp và tình trạng dịch chuyển lao động nông thôn. Nội dung làm rõ ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ phương pháp tính toán thiết kế máy chế biến nông sản, cùng ý nghĩa thực tiễn trong việc tăng năng suất, giảm tải sức lao động thủ công và hạ giá thành sản xuất. Chương này cũng công bố mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp luận và bố cục 6 chương của toàn văn đồ án.

Chương 2: Tổng quan về đề tài

Chương 2 trình bày tổng quan về cây đậu phộng (Arachis hypogaea), bao gồm đặc điểm hình thái thực vật, giá trị dinh dưỡng, công dụng trong chế biến thực phẩm (dầu phộng, bơ, sữa đậu phộng, bánh kẹo), giá trị dược liệu theo Đông y và Tây y, tác dụng cố định đạm cải tạo đất của vi khuẩn cộng sinh Rhizobium, cũng như lưu ý về độc tố aflatoxin và dị ứng đậu phộng. Chương phân tích tình hình sản xuất đậu phộng tại Việt Nam (đứng thứ 5 châu Á về sản lượng, diện tích đạt mức tăng trưởng cao từ giai đoạn 2001-2006). Đồng thời, chương tiến hành khảo cứu thực trạng các máy bóc vỏ lụa liên quan trên thị trường:

  • Máy bóc vỏ lụa hạt điều Sơn Việt (năng suất $100 - 500\text{ kg/h}$, công suất $25{,}5\text{ kW}$, chiều dài $12{,}5\text{ m}$, tỷ lệ sạch $80%$, tỷ lệ vỡ $10 - 15%$).
  • Máy tách vỏ lụa đậu phộng chu trình ướt DTJ-100 (kích thước $1180 \times 720 \times 1100\text{ mm}$, năng suất $150 - 180\text{ kg/h}$, công suất $0{,}75\text{ kW}$, tỷ lệ bóc vỏ $>96%$, tỷ lệ vỡ $<4%$).

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 phân tích yêu cầu công nghệ đối với nguyên liệu (hạt đậu phộng bắt buộc phải được rang chín khô trước khi cấp vào máy). Chương đánh giá ưu nhược điểm của 4 ý tưởng bóc vỏ: phương pháp thủ công, phương pháp va đập, phương pháp nén - ma sát và phương pháp dịch trượt. Kết quả chọn lựa khẳng định phương pháp dịch trượt bằng trục cao su là giải pháp tối ưu. Tiếp đó, tác giả khảo sát cấu tạo và nguyên lý của các kiểu máy tách vỏ hạt ngũ cốc truyền thống:

  • Máy xay hai đĩa đá (dễ làm vỡ hạt, khó căn chỉnh khe hở, nguy cơ lẫn cát đá).
  • Máy xát trục vít (dùng áp suất ép ma sát mài mòn, thường dùng đánh bóng hạt).
  • Máy xát nhiều đĩa đá có gió thổi.
  • Máy tách vỏ bằng hai trục cao su quay ngược chiều chênh lệch vận tốc từ $1{,}15 \div 1{,}25$ lần.

Chương 4: Phương hướng và giải pháp

Chương 4 đánh giá nhược điểm cốt lõi của dòng máy 2 trục cao su đơn: tỷ lệ sót hạt cao, đòi hỏi phải gom nguyên liệu để chạy qua máy lần 2 hoặc lần 3, làm giảm năng suất tổng thể và tốn hao năng lượng. Từ đó, nhóm tác giả đề xuất phương án cải tiến: tích hợp hệ thống 4 trục cao su phân tầng (gồm 2 cặp trục làm việc liên hoàn). Chương xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động 4 trục, phân tích đường truyền động học từ động cơ thông qua hệ thống đai dẹt đảo chiều, đai thang, bộ truyền xích, cơ cấu căng đai định kỳ, hệ thống quạt hút vỏ lụa và sàn lắc phân loại sau bóc.

Chương 5: Thiết kế và tính toán máy bóc vỏ lụa đậu phộng

Chương 5 là nội dung trọng tâm về tính toán kỹ thuật:

  • Tính toán động học vùng làm việc: Dựa trên thực nghiệm với hạt đậu có đường kính $d = 8 \div 10\text{ mm}$, khe hở $\delta = 4\text{ mm}$, đường kính trục cao su $D = 150\text{ mm}$, xác định góc ôm kẹp hạt $\alpha$, chiều dài đoạn nén $L_{\text{nén}} = 33{,}8\text{ mm}$. Vận tốc trục nhanh và chậm của cặp 1-2 lần lượt là $V_{n1} = 2{,}9\text{ m/s}$ và $V_{c2} = 1{,}0\text{ m/s}$, cho ra chiều dài đoạn trượt $L_{\text{trượt}} = 22{,}1\text{ mm}$. Cặp 3-4 có $V_{n3} = 2{,}5\text{ m/s}$, $V_{c4} = 0{,}9\text{ m/s}$, cho ra $L_{\text{trượt}} = 21{,}8\text{ mm}$.
  • Tính lực nén và thời gian bóc: Tính toán biến dạng bề mặt cao su $\Delta h_0$, xác định tổng số hạt trong vùng làm việc đồng thời là 120 hạt (4 dãy $\times$ 30 hạt/dãy). Tổng lực nén tác dụng là $0{,}096\text{ kg}$, thời gian hạt đi qua vùng bóc là $t \approx 0{,}02\text{ s}$.
  • Tính chọn động cơ và bộ truyền: Tính tổng công suất làm việc yêu cầu cho 4 trục cao su $N_{\text{ct}} = 0{,}7\text{ kW}$, chọn động cơ kéo định mức $1{,}5\text{ kW}$ ($n = 950\text{ vg/p}$). Tính toán chi tiết bộ truyền đai dẹt vải cao su loại A: đường kính bánh đai nhỏ $D_1 = 110\text{ mm}$, bánh đai lớn $D_2 = 280\text{ mm}$, vận tốc đai $v = 5{,}46\text{ m/s}$, ứng suất căng ban đầu $\sigma_0 = 1{,}8\text{ N/mm}^2$, lực căng ban đầu $S_0 = 243\text{ N}$, lực vòng có ích $F_t = 274\text{ N}$. Phân phối tỷ số truyền cho trục sàn lắc, trục quạt và các trục cao su qua bộ truyền đai thang và bộ truyền xích.

Chương 6: Kết luận – kiến nghị

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu: hoàn thiện cơ sở lý thuyết tính toán động học và động lực học máy bóc vỏ lụa đậu phộng cải tiến 4 trục cao su; xây dựng mô hình thiết kế kỹ thuật đảm bảo các chỉ tiêu năng suất. Nhóm tác giả đưa ra các kiến nghị cải tiến kết cấu cơ khí nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất và đẩy mạnh thăm dò thị trường chế biến nông sản thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể theo đúng số liệu tính toán và thiết kế kỹ thuật:

  • Thông số kỹ thuật của hệ thống máy thiết kế:
    • Năng suất bóc tách đạt: $150 - 170\text{ kg/h}$.
    • Hiệu suất bóc sạch vỏ lụa: $95 - 97%$.
    • Kích thước phủ bì tổng thể: $1200 \times 600 \times 1500\text{ mm}$.
    • Công suất động cơ dẫn động: $1{,}5\text{ kW}$, tốc độ $950\text{ vòng/phút}$.
    • Hệ thống bóc vỏ: 4 trục cao su ($D = 150\text{ mm}, L = 200\text{ mm}$) với 2 cơ cấu điều chỉnh khe hở làm việc độc lập.
  • Giải pháp và kiến nghị đề xuất:
    • Thiết kế sơ đồ truyền động thông minh sử dụng bộ truyền đai dẹt làm việc cả hai mặt để vừa truyền động vừa đảo chiều quay cho trục sàn lắc, tiết kiệm chi phí lắp đặt hộp giảm tốc phụ.
    • Tích hợp đồng bộ cụm quạt hút vỏ lụa và sàn lắc rung để phân loại tự động sản phẩm sau khi bóc vỏ.
  • Đóng góp mới của đề tài:
    • Cải tiến thành công từ nguyên lý 2 trục đơn sang cụm 4 trục cao su bố trí tầng liên hoàn, giải quyết triệt để vấn đề sót hạt và triệt tiêu công đoạn gom hạt để xử lý lại nhiều lần trong sản xuất thủ công.
    • Xây dựng hệ thống công thức giải tích tường minh xác định mối quan hệ định lượng giữa đường kính trục, kích thước hạt, khe hở làm việc đến chiều dài đoạn nén ($L_{\text{nén}}$) và đoạn trượt ($L_{\text{trượt}}$) của lớp vỏ lụa hạt đậu phộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế và hướng mở rộng được tác giả tự xác định bao gồm:

  • Hạn chế: Quá trình nghiên cứu tập trung chủ yếu vào tính toán lý thuyết, xác lập nguyên lý động học và mô hình hóa 3D; kinh nghiệm thiết kế thực tế và kỹ năng tối ưu hóa chi phí chế tạo còn một số giới hạn nhất định.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Cải tiến kết cấu cơ khí để hài hòa giữa yếu tố kinh tế và độ bền kỹ thuật; chế tạo mẫu thử nghiệm vật lý để kiểm chứng chính xác tỷ lệ hạt vỡ trong điều kiện vận hành liên tục; khảo sát nhu cầu thị trường nông nghiệp để đưa sản phẩm vào sản xuất thương mại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ khí Nông lâm, Kỹ thuật Cơ điện tử và Công nghệ Thực phẩm:

  • Phần tính toán động học và động lực học trục cao su (Chương 5): Cung cấp phương pháp mẫu mực trong việc xác định biến dạng đàn hồi cao su, lực nén hạt và thông số trượt vi sai ứng dụng trong máy tách vỏ nông sản.
  • Phương án bố trí dẫn động (Chương 4 & 5): Cung cấp giải pháp thực tế về cách sử dụng bộ truyền đai dẹt hai mặt để đảo chiều chuyển động và phân phối tỷ số truyền phức hợp không cần hộp giảm tốc đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao máy bóc vỏ lụa trong đồ án sử dụng 4 trục cao su thay vì 2 trục như các máy thông thường?
Máy 2 trục cao su truyền thống có tỷ lệ sót vỏ lụa cao, buộc người vận hành phải đổ hạt lại máy 2-3 lần. Việc cải tiến lên 4 trục cao su (chia làm 2 cặp trục trên và dưới) giúp hạt đậu được bóc vỏ liên tiếp 2 lần trong 1 lượt nạp liệu, nâng cao năng suất và đảm bảo hiệu suất tách vỏ đạt $95 - 97%$.

2. Điều kiện bắt buộc đối với hạt đậu phộng trước khi đưa vào máy bóc vỏ lụa là gì?
Theo yêu cầu công nghệ tại Chương 3, hạt đậu phộng bắt buộc phải được rang chín khô trước khi đưa vào phễu cấp liệu. Quá trình gia nhiệt làm lớp vỏ lụa giòn, giảm độ bám dính vào nhân hạt, tạo điều kiện cho lực ma sát trượt xé rách vỏ dễ dàng mà không làm nát hạt.

3. Vận tốc quay của các cặp trục cao su được phân bố như thế nào?
Cặp trục 1 - 2 (tầng trên) có vận tốc trục nhanh $V_{n1} \approx 2{,}9\text{ m/s}$ ($373\text{ vg/p}$) và trục chậm $V_{c2} \approx 1{,}0\text{ m/s}$ ($133\text{ vg/p}$). Cặp trục 3 - 4 (tầng dưới) có vận tốc trục nhanh $V_{n3} \approx 2{,}5\text{ m/s}$ ($326\text{ vg/p}$) và trục chậm $V_{c4} \approx 0{,}9\text{ m/s}$ ($116\text{ vg/p}$).

4. Giải pháp đảo chiều quay giữa trục sàn lắc và các trục cao su được thiết kế ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ truyền đai dẹt truyền mô-men từ động cơ. Do đai dẹt có thể làm việc được cả hai bề mặt, puly của trục sàn lắc được lắp tiếp xúc với mặt ngoài của dây đai, giúp trục sàn lắc quay ngược chiều với chiều quay của động cơ mà không cần bổ sung hộp giảm tốc đảo chiều.

5. Chiều dài đoạn nén ($L_{\text{nén}}$) và đoạn trượt ($L_{\text{trượt}}$) của cặp trục cao su số 1 và 2 là bao nhiêu?
Theo kết quả tính toán cơ học ở Chương 5, với đường kính trục cao su $D = 150\text{ mm}$, khe hở $\delta = 4\text{ mm}$ và đường kính hạt $d = 8\text{ mm}$, chiều dài đoạn nén $L_{\text{nén}}$ đạt $33{,}8\text{ mm}$ và chiều dài đoạn trượt $L_{\text{trượt}}$ đạt $22{,}1\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, tính toán máy bóc vỏ lụa đậu phộng" của sinh viên Nguyễn Thế Vinh và Nguyễn Tài Viễn đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ khí hóa công đoạn sau thu hoạch đậu phộng bằng giải pháp cải tiến 4 trục cao su phân tầng. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa phân tích cơ học tiếp xúc biến dạng, tính toán động lực học chi tiết máy và thiết kế hệ thống dẫn động tích hợp đai - xích hiệu quả. Kết quả thiết kế đạt năng suất $150 - 170\text{ kg/h}$ với hiệu suất bóc vỏ $95 - 97%$, mang lại giá trị thực tiễn cao cho lĩnh vực chế tạo máy nông nghiệp và chế biến thực phẩm.