Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Cây thanh long (Hylocereus undatus) là một trong 11 loại cây ăn trái xuất khẩu chủ lực của Việt Nam, chiếm vị trí cạnh tranh quan trọng với tỷ trọng xuất khẩu quả tươi đạt từ 80% đến 85% tổng sản lượng. Theo số liệu thống kê từ Cục Trồng trọt thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn được trích dẫn trong văn bản, diện tích canh tác thanh long cả nước đạt hơn 28.700 ha, trong đó diện tích cho thu hoạch là 23.820 ha với sản lượng ước tính đạt 520.000 tấn. Tỉnh Bình Thuận là vùng sản xuất trọng điểm với hơn 21.000 ha và sản lượng trên 400.000 tấn/năm, chiếm hơn 71% diện tích cả nước.
Phần thịt quả (chiếm hơn 66% khối lượng trái) là nguyên liệu đầu vào cho nhiều sản phẩm chế biến có giá trị kinh tế như rượu vang thanh long, nước ép đóng lon, nước ép cô đặc, siro, mứt, thanh long sấy thăng hoa và đóng hộp. Tuy nhiên, công đoạn bóc tách vỏ thanh long tại các cơ sở chế biến hiện nay chủ yếu thực hiện thủ công bằng tay hoặc dùng thìa. Phương thức này tồn tại nhiều nhược điểm: năng suất thấp, tốn nhiều nhân công, thời gian xử lý kéo dài làm suy giảm chất lượng thịt quả và khó đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Việc cơ giới hóa công đoạn bóc vỏ là yêu cầu kỹ thuật cần thiết nhằm nâng cao giá trị chuỗi sản phẩm sau thu hoạch.
Đề tài "Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm máy bóc vỏ thanh long" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:
-
Mục tiêu nghiên cứu tổng quát:
- Tìm hiểu chức năng, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu bóc tách vỏ nông sản.
- Đề xuất quy trình công nghệ và thiết kế thiết bị bóc vỏ trái thanh long.
-
Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Khảo sát các thông số hình học, đặc tính vật lý và thành phần cơ học của trái thanh long nguyên liệu.
- Tính toán thông số động học, lực cắt và lựa chọn kết cấu dao cắt, hệ thống kẹp giữ, cơ cấu bóc vỏ.
- Thiết kế mô hình 3D hoàn chỉnh bằng phần mềm SolidWorks 2014 và lập tập bản vẽ kỹ thuật.
- Gia công, chế tạo, lắp ráp mô hình thực nghiệm kết hợp điều khiển điện khí nén (sử dụng PLC OMRON CJ1M).
- Khảo nghiệm thực tế, đánh giá năng suất và chất lượng tách thịt quả của mô hình.
-
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Trái thanh long ruột trắng vỏ đỏ (Hylocereus undatus) thu thập tại các vùng trồng chính gồm Bình Thuận, Tiền Giang, Long An, Tây Ninh; nguyên lý bóc tách vỏ; cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển máy bóc vỏ.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo mô hình máy thử nghiệm ứng dụng cho quy mô hộ gia đình và cơ sở chế biến nhỏ; chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu định hướng năng suất đạt 1.000 kg/ca (8 giờ làm việc).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Nghiên cứu ứng dụng các cơ sở lý thuyết cơ học cắt gọt nông sản, lý thuyết truyền động khí nén, tính toán lò xo và phương pháp điều khiển tự động lập trình PLC.
Khung lý thuyết và mô hình tính toán
-
Mô hình tính toán lực cắt theo công thức thực nghiệm Reznik:
Lực cản cắt $P_t$ của dao đối với củ quả mềm được tính theo công thức:
$$P_t = q \cdot v^{2,6} + 40$$
Trong đó:
- $q$: Áp suất cắt riêng, chọn thực nghiệm $q = 20\text{ N/cm} = 0,2\text{ N/m}$.
- $v$: Vận tốc cắt tối ưu của dao, xác định $v = 2,2\text{ m/s}$.
- Kết quả lực cản cắt tính toán: $P_t = 50,83\text{ N}$.
Lực cắt tới hạn cần thiết $Q_{th}$ có tính đến góc cắt của dao:
$$Q_{th} = P_t + c \cdot \tan\alpha$$
Với góc mài dao $\delta = \alpha = 18^\circ$, hệ số thứ nguyên $c = 2$, lực cắt tới hạn đạt:
$$Q_{th} = 50,83 + 2 \cdot \tan(18^\circ) = 51,48\text{ N}$$
-
Lý thuyết hệ thống truyền động khí nén:
- Phương trình trạng thái khí lý tưởng và các định luật biến đổi nhiệt động (Boyle-Mariotte, Gay-Lussac): $\frac{P \cdot V}{T} = \text{const}$.
- Lực đẩy/kéo của piston khí nén: $F = P \cdot A$ (với $P$ là áp suất làm việc, $A$ là diện tích hữu ích bề mặt piston).
- Vận tốc chấp hành của xylanh: $v = \frac{Q}{A}$ (khống chế bằng van tiết lưu lưu lượng $Q$).
-
Lý thuyết đàn hồi của lò xo nén:
- Lực đàn hồi: $F_{lx} = k \cdot |\Delta l|$, với $k$ là độ cứng lò xo, $\Delta l$ là độ biến dạng nén.
- Tổng lực kẹp của cơ cấu kết hợp khí nén và lò xo: $F = F_{piston} + F_{lx}$.
Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu
- Phương pháp khảo nghiệm thực nghiệm: Thực hiện đo đạc trực tiếp các kích thước hình học trên mẫu 100 trái thanh long tại Doanh nghiệp tư nhân Hiệp Tiến (xã Tiến Lợi, TP. Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận).
- Phương pháp phân tích lý hóa: Xác định hàm lượng nước trong vỏ thanh long bằng phương pháp sấy khô ở nhiệt độ 105–110°C đến khối lượng không đổi; xác định hàm lượng sắc tố Betacyanin.
- Phương pháp mô hình hóa và thiết kế cơ khí: Xây dựng mô hình 3D, mô phỏng động lực học chuyển động trên phần mềm SolidWorks 2014.
- Phương pháp chế tạo thử nghiệm: Gia công kết cấu cơ khí, tích hợp van khí nén, cảm biến vị trí và lập trình điều khiển bằng PLC OMRON CJ1M.
| Thông số khảo sát |
Mẫu Bình Thuận & Tiền Giang ($n = 100$) |
Ghi chú kỹ thuật |
| Đường kính lớn nhất $D$ |
Trung bình: $85,7\text{ mm}$ (dải $80 - 90\text{ mm}$) |
Cơ sở chọn khẩu độ kẹp |
| Đường kính đầu cuống $d_1$ |
Trung bình: $41,0\text{ mm}$ (dải $40 - 41\text{ mm}$) |
Cơ sở định vị cắt cuống |
| Đường kính đỉnh hoa $d_2$ |
Trung bình: $43,2\text{ mm}$ (dải $42 - 46\text{ mm}$) |
Cơ sở định vị cắt chóp |
| Tỷ lệ phần thịt ruột |
$66,1%$ khối lượng trái |
Thành phần thu hồi chính |
| Tỷ lệ phần vỏ |
$24,9%$ khối lượng trái |
Chứa sắc tố Betacyanin ($109\text{ mg/kg}$ vỏ tươi) |
| Tỷ lệ phần bỏ đi (tai, cuống) |
$0,1%$ (loại bỏ trực tiếp trước ép) |
Phế phẩm xử lý riêng |
| Độ ẩm vỏ trái |
$89,0%$ |
Vỏ mềm, dễ biến dạng khi kẹp |
Thiết kế và triển khai
Hệ thống máy bóc vỏ thanh long được thiết kế theo dây chuyền tự động hóa bán phần, kết hợp giữa cơ cấu cấp phôi, truyền động băng tải, hệ thống cắt đầu - bổ đôi và cụm khía - tách vỏ cưỡng bức bằng khí nén.
Kiến trúc các cụm chức năng chính
- Khung máy và cụm truyền động băng tải: Kết cấu khung kim loại chịu lực, băng tải dẫn động bằng động cơ điện thông qua bộ giảm tốc để định vị và vận chuyển trái qua các trạm làm việc.
- Cụm định vị và kẹp giữ: Gồm cụm kẹp ngang và cụm kẹp đứng sử dụng xylanh khí nén kết hợp lò xo nén chống biến dạng quá mức, giữ quả ổn định mà không làm dập nát thịt quả.
- Cụm dao cắt đầu và cắt đôi: Trang bị cụm dao cắt 2 đầu (cắt phần cuống và phần chóp chứa tai hoa) và dao đĩa/dao tịnh tiến cắt bổ đôi trái theo chiều dọc trục thành hai nửa bán nguyệt. Góc mài lưỡi cắt chuẩn hóa ở $18^\circ$.
- Cụm khía và tách vỏ: Bao gồm cụm dao khía bề mặt vỏ kết hợp các má kẹp miết và cơ cấu xylanh đẩy ép tách vỏ ra khỏi bề mặt cong của khối thịt quả.
- Hệ thống điều khiển điện – khí nén:
- Nguồn chấp hành: Hệ thống xylanh tác động kép, van đảo chiều điện từ khí nén, van tiết lưu điều chỉnh vận tốc tịnh tiến.
- Khối điều khiển trung tâm: Bộ điều khiển lập trình PLC OMRON CJ1M, nhận tín hiệu từ các cảm biến hành trình để kích hoạt trình tự chuyển động theo chu kỳ tuần tự.
Quy trình công nghệ:
[Cấp phôi thanh long]
→ [Băng tải chuyển dịch]
→ [Kẹp định vị quả]
→ [Cắt 2 đầu (cuống & rốn hoa)]
→ [Bổ đôi quả theo chiều dọc]
→ [Kẹp giữ chuyển sang trạm tách]
→ [Khía phân đoạn vỏ]
→ [Xylanh đẩy tách vỏ]
→ [Thu gom thịt quả & xả vỏ]
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Mở đầu
Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của vùng chuyên canh thanh long Bình Thuận và Đồng bằng sông Cửu Long. Phân tích thực trạng xuất khẩu trái tươi và sự cần thiết phải đa dạng hóa các sản phẩm chế biến sâu. Xác định mục tiêu tổng quát, nhiệm vụ cụ thể, đối tượng nghiên cứu (trái thanh long vỏ đỏ ruột trắng), phạm vi đề tài, cơ sở phương pháp luận và các yêu cầu kỹ thuật đối với máy móc ngành thực phẩm (an toàn vệ sinh, vật liệu chống ăn mòn, kết cấu dễ vệ sinh, vận hành ổn định).
Chương 2: Tổng quan
Tổng hợp đặc điểm sinh học cây thanh long (Hylocereus undatus), đặc tính nông học, chu kỳ sinh trưởng của cành, hoa và trái. Đưa ra số liệu diện tích và sản lượng thanh long tại Việt Nam qua các giai đoạn (diện tích cả nước vượt 28.700 ha năm 2013; Bình Thuận đạt sản lượng gần 428.000 tấn). Phân tích thành phần dinh dưỡng trong 100g thịt quả (độ ẩm 85,30%, năng lượng 67,70 kcal, protein 1,10g, chất xơ 1,34g, canxi 10,20 mg, phospho 27,50 mg, sorbitol 32,70 mg).
Chương này cũng tổng quan công nghệ chế biến các sản phẩm: nước ép đóng lon, nước ép cô đặc (độ khô 60° Brix), thanh long sấy thăng hoa (độ ẩm <5%), nước lên men (độ cồn ~3,5%). Đồng thời, khảo sát và phân tích ưu nhược điểm của các dòng máy bóc tách vỏ nông sản hiện có:
- Máy tách vỏ ca cao (dùng dao cắt dọc và thùng quay ly tâm phân tách hạt).
- Máy bóc vỏ quả cau (dùng đĩa kẹp xoay và dao cắt kết hợp lò xo giật bung vỏ).
- Máy gọt dừa tiện đứng (sao chép biên dạng quả theo nguyên lý tiện chép hình).
- Máy cắt vỏ hạt dẻ tự động (định vị máng chữ V và cắt mở vỏ bằng tia laser).
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Trình bày kết quả đo đạc thực nghiệm trên 100 trái thanh long tại cơ sở Hiệp Tiến, xác định phổ kích thước trung bình ($D = 85,7\text{ mm}$, $d_1 = 41\text{ mm}$, $d_2 = 43,2\text{ mm}$) và tỷ lệ phân bố khối lượng (thịt quả 66,1%, vỏ 24,9%, phế phẩm 0,1%). Phân tích độ ẩm của vỏ đạt 89% và hàm lượng Betacyanin đạt 109 mg/kg vỏ tươi.
Thiết lập cơ sở động học và động lực học cắt gọt nông sản mềm theo mô hình Reznik; tính toán lực cản cắt $P_t = 50,83\text{ N}$ và lực cắt tới hạn $Q_{th} = 51,48\text{ N}$ ở vận tốc cắt tối ưu $v = 2,2\text{ m/s}$, góc mài lưỡi dao $18^\circ$. Trình bày các công thức tính toán áp suất khí quyển, áp suất dư $P_e$, lưu lượng khí nén $Q = \frac{V}{t}$, lực đẩy piston $F = P \cdot A$ và các tham số kỹ thuật của lò xo nén (đường kính dây $d$, đường kính ngoài $D_e$, bước xoắn $P$, độ cứng $k$).
Chương 4: Các phương pháp bóc vỏ thanh long
Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp bóc vỏ thủ công (dùng thìa xúc thịt quả sau khi bổ đôi; dùng tay bóc lột từng dải vỏ). Đề xuất và so sánh 4 phương án công nghệ bóc vỏ bằng máy:
| Phương án |
Nguyên lý hoạt động |
Đánh giá tính khả thi |
| Phương án 1: Cơ cấu kẹp bung |
Dùng ngàm kẹp bám vào mép vỏ và bung rộng ra hai phía |
Dễ làm rách mép vỏ, tỷ lệ sót vỏ cao do vỏ thanh long mềm |
| Phương án 2: Tách không khía |
Giữ cố định thịt quả và dùng cần gạt miết dọc thân vỏ |
Lực ma sát lớn, dễ làm nát khối thịt ruột mềm |
| Phương án 3: Cơ cấu khía thẳng |
Cắt 2 đầu, bổ đôi, tạo các đường khía thẳng dọc vỏ rồi tách |
Lực cản tách nhỏ, đường tách định hình tốt, bảo toàn thịt quả |
| Phương án 4: Cơ cấu khía xiên |
Dùng lưỡi dao tạo rãnh xiên chéo góc trên bề mặt cong |
Chế tạo dao phức tạp, quỹ đạo ép tách khó đồng đều |
Lựa chọn phương án: Nhóm tác giả chọn Phương án 3 (kết hợp khía thẳng và ép tách) làm cơ sở thiết kế kết cấu chi tiết.
Chương 5: Tính toán thiết kế máy bóc vỏ trái thanh long
Thực hiện tính toán động học và động lực học cho toàn bộ hệ thống cơ cấu:
- Tính chọn bộ phận cắt: Thiết kế dao cắt đầu và dao cắt đôi bằng vật liệu thép không gỉ; tính toán công suất động cơ dẫn động lưỡi dao dựa trên lực cắt $Q_{th} = 51,48\text{ N}$ và vận tốc cắt $v = 2,2\text{ m/s}$.
- Tính chọn động cơ kéo băng tải: Phân tích tải trọng vận chuyển, tính vận tốc dịch chuyển bước của băng tải, tính lực kéo và chọn động cơ giảm tốc phù hợp.
- Tính chọn hệ thống xylanh khí nén:
- Xylanh dẫn động cụm kẹp ngang định vị quả.
- Xylanh dẫn động cụm dao cắt 2 đầu.
- Xylanh dẫn động cụm kẹp đứng giữ nửa quả sau khi bổ đôi.
- Xylanh mang cơ cấu đẩy khía – tách vỏ.
- Thiết kế hệ thống điều khiển điện – khí nén: Xây dựng sơ đồ nối dây thiết bị ngoại vi, van điện từ và lập trình giản đồ thời gian chuyển động trên bộ điều khiển PLC OMRON CJ1M.
Chương 6: Chế tạo và thử nghiệm
Trình bày quá trình gia công kết cấu khung, đồ gá, các cụm gá dao, bộ gá xylanh và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm. Tích hợp tủ điều khiển và đấu nối khí nén. Tiến hành chạy khảo nghiệm máy trên mẫu thanh long thực tế, kiểm tra độ ổn định của chu trình làm việc, sự phối hợp giữa băng tải, cơ cấu kẹp, dao cắt và bộ tách vỏ. Ghi nhận các thông số vận hành thực tế và các lỗi kẹt phôi/dập mép thịt quả phát sinh trong quá trình thử nghiệm.
Chương 7: Kết luận – Kiến nghị
Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ đồ án: đã tính toán thiết kế và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm máy bóc vỏ thanh long ứng dụng PLC OMRON CJ1M. Đưa ra các kiến nghị cải tiến kết cấu cơ khí, tối ưu hóa vật liệu chế tạo và nâng cấp độ chính xác gia công.
Kết quả và đóng góp
-
Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm:
- Xác lập được bộ thông số vật lý và kích thước cơ bản của trái thanh long làm nguyên liệu thiết kế máy: đường kính trung bình $D = 85,7\text{ mm}$, $d_1 = 41\text{ mm}$, $d_2 = 43,2\text{ mm}$, độ dày vỏ và độ ẩm vỏ $89%$.
- Tính toán và chuẩn hóa chế độ cắt gọt: vận tốc dao cắt tối ưu $v = 2,2\text{ m/s}$, góc mài lưỡi dao $\delta = 18^\circ$, lực cản cắt $P_t = 50,83\text{ N}$, lực cắt tới hạn $Q_{th} = 51,48\text{ N}$.
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy thực nghiệm tích hợp hệ thống chấp hành khí nén và bộ lập trình điều khiển tự động PLC OMRON CJ1M.
-
Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
- Đề xuất chu trình công nghệ bóc vỏ tự động liên hoàn: Cấp liệu $\rightarrow$ Cắt 2 đầu $\rightarrow$ Bổ đôi quả $\rightarrow$ Kẹp giữ $\rightarrow$ Khía phân đoạn $\rightarrow$ Tách vỏ cưỡng bức bằng xylanh.
- Kết hợp lò xo nén chống quá tải cùng xylanh kẹp để tự thích ứng với sự sai lệch kích thước tự nhiên giữa các quả thanh long.
-
Đóng góp học thuật và thực tiễn:
- Là một trong những công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu có hệ thống từ cơ sở lý thuyết, đo đạc thông số đến thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm chuyên biệt cho việc bóc vỏ trái thanh long.
- Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về tính chất cơ lý của thanh long ruột trắng và nguyên lý tách vỏ cơ khí phục vụ nghiên cứu máy chế biến nông sản.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Công nghệ Chế tạo máy: Tham khảo quy trình tính toán, thiết kế máy đóng gói/chế biến thực phẩm, phương pháp tích hợp PLC OMRON với hệ thống truyền động điện khí nén.
- Kỹ sư thiết kế máy nông nghiệp: Ứng dụng các thông số tính toán lực cắt theo mô hình Reznik, góc mài dao và cơ chế kẹp đàn hồi chống dập nát quả mềm.
- Doanh nghiệp chế biến thực phẩm: Tham khảo nguyên lý công nghệ để phát triển dây chuyền bóc tách vỏ thanh long tự động phục vụ sản xuất nước ép, rượu vang và thanh long sấy.
Câu hỏi thường gặp
1. Vận tốc cắt tối ưu và góc mài dao cắt thanh long được xác định là bao nhiêu?
Theo tính toán thực nghiệm trong đồ án dựa trên mô hình Reznik, vận tốc cắt tối ưu của dao được chọn là $v = 2,2\text{ m/s}$, góc mài lưỡi dao $\delta = 18^\circ$, cho ra lực cản cắt $P_t = 50,83\text{ N}$ và lực cắt tới hạn $Q_{th} = 51,48\text{ N}$.
2. Tỷ lệ các thành phần khối lượng của trái thanh long khảo sát là bao nhiêu?
Kết quả khảo sát thực nghiệm trên mẫu quả tại Bình Thuận và Tiền Giang ghi nhận: phần thịt ruột ăn được chiếm $66,1%$ khối lượng, phần vỏ chiếm $24,9%$, và phần bỏ đi (cuống, tai hoa) chiếm khoảng $0,1%$.
3. Thiết bị điều khiển tự động nào được sử dụng để vận hành mô hình máy?
Đồ án sử dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC OMRON CJ1M kết hợp hệ thống van điện từ khí nén và các cảm biến hành trình để điều khiển chu trình hoạt động của các cụm xylanh kẹp, cắt và tách vỏ.
4. Tại sao đồ án lựa chọn phương án bóc vỏ bằng cơ cấu khía thẳng thay vì tách trực tiếp?
Phương án khía thẳng kết hợp ép tách giúp phân chia bề mặt vỏ thành các dải có định hướng, làm giảm lực cản ma sát khi tách vỏ, hạn chế hiện tượng rách nát thịt quả và đảm bảo độ nguyên vẹn hình thái của nửa khối ruột thanh long sau khi tách.
5. Năng suất định hướng thiết kế ban đầu của máy là bao nhiêu?
Theo nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp được giao, thiết bị được tính toán định hướng đạt năng suất $1.000\text{ kg/ca}$ (tương đương 8 giờ làm việc), phục vụ cho các cơ sở chế biến thực phẩm và hộ kinh doanh vừa và nhỏ.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm máy bóc vỏ thanh long" của sinh viên Trần Văn Khánh và Trần Quang Tân (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết, khảo sát đặc tính cơ lý đến thiết kế 3D và chế tạo mô hình thực nghiệm. Công trình đã chứng minh tính khả thi của công nghệ khía thẳng - ép tách vỏ bằng hệ thống cơ điện khí nén điều khiển qua PLC OMRON CJ1M. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, tạo tiền đề quan trọng cho việc hoàn thiện các dây chuyền cơ giới hóa khâu sơ chế thanh long phục vụ ngành công nghiệp thực phẩm.