Tổng quan nghiên cứu

Ca cao là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là sản xuất sô cô la và bột ca cao, với nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng trên toàn cầu. Theo số liệu thống kê, sản lượng hạt ca cao thế giới đạt khoảng 4 triệu tấn mỗi năm, trong đó các quốc gia như Bờ Biển Ngà, Ghana và Indonesia chiếm tới 74% tổng sản lượng. Ở Việt Nam, diện tích trồng ca cao đã đạt gần 12.000 ha, tập trung chủ yếu tại Tây Nguyên, Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long, với mục tiêu mở rộng lên 60.000 ha vào năm 2015. Tuy nhiên, công đoạn cắt vỏ cứng trái ca cao hiện nay chủ yếu được thực hiện thủ công, dẫn đến năng suất thấp, tốn nhiều sức lao động và tiềm ẩn nguy cơ tai nạn lao động.

Luận văn tập trung nghiên cứu phát triển thiết kế và chế tạo máy cắt vỏ cứng trái ca cao nhằm nâng cao năng suất và chất lượng cắt, giảm thiểu tổn thương hạt và vỏ vụn lẫn vào hạt. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các giống ca cao phổ biến tại Việt Nam như TD1, TD2, TD3, TD5, TD6, TD8, TD10 và TD14, với kích thước trái ca cao trung bình từ 15 đến 20 cm chiều dài, đường kính 7 đến 9 cm và trọng lượng từ 200 đến 1000 g. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cơ khí hóa công đoạn cắt vỏ, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm sức lao động và cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động trong ngành chế biến ca cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí liên quan đến thiết kế máy cắt và cơ cấu dẫn hướng. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết cơ học vật liệu: Xác định lực cắt, ứng suất và biến dạng của các chi tiết máy khi tác động lên trái ca cao, đảm bảo máy hoạt động ổn định và bền bỉ.
  • Lý thuyết ma sát và truyền động: Nghiên cứu hệ số ma sát giữa trái ca cao và vật liệu ru lô dẫn hướng để thiết kế hệ thống dẫn động hiệu quả, đảm bảo trái ca cao di chuyển ổn định qua bộ phận cắt.

Các khái niệm chính bao gồm: lực cắt vỏ ca cao, hệ số ma sát trượt giữa ca cao và thép CT3, nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa và ru lô dẫn hướng, cũng như các thông số kỹ thuật như đường kính dao cắt, góc răng dao và lực kéo lò xo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực tế 300 trái ca cao thuộc 8 dòng giống phổ biến tại Việt Nam, mua tại thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang. Các kích thước cơ bản như chiều dài, chiều rộng và chiều dày vỏ được đo đạc và xử lý thống kê để làm cơ sở thiết kế.

Phương pháp phân tích lý thuyết được sử dụng để tính toán lực cắt, công suất động cơ và thiết kế các bộ phận máy. Phương pháp thực nghiệm bao gồm:

  • Thí nghiệm xác định hệ số ma sát giữa vỏ ca cao và thép CT3.
  • Thí nghiệm đo lực cắt cần thiết để cắt vỏ ca cao.
  • Thí nghiệm xác định tốc độ quay và góc nghiêng của ru lô dẫn để tối ưu tốc độ di chuyển của trái ca cao.
  • Thử nghiệm vận hành máy để đánh giá năng suất và chất lượng cắt.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến 2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kích thước trái ca cao: Qua khảo sát 300 trái ca cao, chiều dài trung bình là 155,3 mm, chiều rộng trung bình 86,0 mm và chiều dày vỏ trung bình 18,4 mm. Phân bố kích thước cho thấy đa số trái ca cao có chiều dài từ 140 đến 170 mm (chiếm 66%), chiều rộng từ 80 đến 95 mm (chiếm 65%), và chiều dày vỏ từ 17 đến 19 mm (chiếm 62%).

  2. Lực cắt và hệ số ma sát: Lực cắt trung bình cần thiết để cắt vỏ ca cao được xác định qua thí nghiệm, cung cấp thông số quan trọng cho việc tính toán công suất động cơ. Hệ số ma sát trượt giữa vỏ ca cao và thép CT3 được đo và sử dụng để thiết kế hệ thống ru lô dẫn hướng, đảm bảo trái ca cao di chuyển ổn định và không bị trượt.

  3. Hiệu quả máy cắt: Máy cắt vỏ cứng trái ca cao được chế tạo dựa trên nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa và ru lô dẫn hướng hoạt động hiệu quả, cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc mà không làm vỡ vụn vỏ hay tổn thương hạt. Năng suất máy đạt khoảng 3 trái/giây, cao hơn nhiều so với phương pháp thủ công.

  4. So sánh với máy hiện có: So với các máy tách hạt ca cao trên thị trường như máy Pinhalense (năng suất 1200 kg/giờ) hay máy Cobre (3000 quả/giờ), máy nghiên cứu có kích thước nhỏ gọn hơn, năng suất phù hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ, đồng thời giảm thiểu lượng vỏ vụn và tổn thương hạt.

Thảo luận kết quả

Kết quả khảo sát kích thước trái ca cao cho thấy sự đa dạng về hình dạng và kích thước, điều này đặt ra thách thức lớn trong thiết kế máy cắt tự động. Việc xác định chính xác lực cắt và hệ số ma sát giúp tối ưu hóa thiết kế bộ phận cắt và dẫn hướng, giảm thiểu tổn thất hạt và vỏ vụn.

So với các nghiên cứu và máy móc hiện có, máy cắt được phát triển trong luận văn có ưu điểm vượt trội về khả năng cắt chính xác, năng suất ổn định và kích thước nhỏ gọn. Các biểu đồ phân phối kích thước trái ca cao và lực cắt có thể được trình bày để minh họa sự phù hợp của thiết kế với đặc tính nguyên liệu.

Việc áp dụng nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa kết hợp ru lô dẫn hướng giúp máy hoạt động liên tục, giảm thiểu sự can thiệp thủ công, từ đó giảm nguy cơ tai nạn lao động và tăng hiệu quả sản xuất. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế dao cắt: Điều chỉnh đường kính dao, góc răng và khoảng cách giữa các dao để phù hợp với đa dạng kích thước trái ca cao, nâng cao chất lượng cắt và giảm thiểu tổn thương hạt.

  2. Cải tiến hệ thống ru lô dẫn hướng: Nâng cao độ chính xác và độ bền của ru lô, sử dụng vật liệu có hệ số ma sát phù hợp để đảm bảo trái ca cao di chuyển ổn định, tránh trượt và rung động không mong muốn.

  3. Tự động hóa cấp phôi: Phát triển cơ cấu cấp phôi tự động để tăng năng suất máy, giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công, đồng thời nâng cao an toàn lao động.

  4. Mở rộng phạm vi ứng dụng: Nghiên cứu điều chỉnh máy để phù hợp với các giống ca cao có kích thước và hình dạng khác nhau, cũng như ứng dụng trong các quy trình chế biến khác liên quan đến nông sản có vỏ cứng.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, do các đơn vị sản xuất máy móc và các cơ sở nghiên cứu kỹ thuật cơ khí phối hợp thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đáp ứng nhu cầu thị trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp sản xuất và 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 nhà thiết kế và chế tạo máy cơ khí: Cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật và phương pháp thiết kế máy cắt vỏ cứng cho các loại nông sản có đặc tính tương tự.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ khí và công nghệ thực phẩm: Là tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu phát triển máy móc tự động hóa trong ngành nông nghiệp.

  4. Người nông dân và hợp tác xã trồng ca cao: Giúp hiểu rõ về công nghệ chế biến hiện đại, từ đó có thể áp dụng hoặc đề xuất các giải pháp cơ giới hóa phù hợp với quy mô sản xuất của mình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cắt vỏ cứng trái ca cao có thể áp dụng cho các loại ca cao khác nhau không?
    Máy được thiết kế dựa trên khảo sát 8 dòng giống phổ biến tại Việt Nam với kích thước đa dạng, do đó có thể điều chỉnh để phù hợp với các loại ca cao có kích thước tương tự. Việc điều chỉnh dao cắt và ru lô dẫn hướng giúp máy thích ứng linh hoạt.

  2. Năng suất của máy so với phương pháp thủ công như thế nào?
    Máy đạt năng suất khoảng 3 trái/giây, cao hơn nhiều so với phương pháp thủ công vốn chỉ đạt vài trái mỗi phút, đồng thời giảm thiểu tổn thương hạt và vỏ vụn lẫn vào hạt.

  3. Máy có đảm bảo an toàn lao động không?
    Việc cơ khí hóa và tự động hóa công đoạn cắt vỏ giúp giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp với dao cắt, giảm nguy cơ tai nạn lao động so với phương pháp thủ công truyền thống.

  4. Chi phí đầu tư máy có phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ?
    Máy có thiết kế nhỏ gọn, sử dụng công suất động cơ hợp lý, do đó chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn so với các máy công suất lớn trên thị trường, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ.

  5. Máy có thể tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện có không?
    Với thiết kế bộ phận cấp phôi và dẫn hướng linh hoạt, máy có thể được tích hợp hoặc cải tiến để phù hợp với dây chuyền sản xuất hiện có, giúp nâng cao hiệu quả tổng thể.

Kết luận

  • Đã khảo sát và xác định các đặc tính kích thước và lực cắt của trái ca cao phổ biến tại Việt Nam làm cơ sở thiết kế máy.
  • Phát triển thành công máy cắt vỏ cứng trái ca cao dựa trên nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa và ru lô dẫn hướng, đạt năng suất khoảng 3 trái/giây.
  • Máy cắt đảm bảo cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc mà không làm vỡ vụn vỏ hay tổn thương hạt, nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • So sánh với các máy hiện có, máy có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, năng suất phù hợp và giảm thiểu lượng vỏ vụn.
  • Đề xuất các giải pháp cải tiến và mở rộng ứng dụng trong 1-2 năm tới nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đáp ứng nhu cầu thị trường.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất nên phối hợp để hoàn thiện, tối ưu và thương mại hóa máy, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại nông sản khác có vỏ cứng.