I. Tổng quan về đề tài máy tách vỏ xanh hạt macca tại HCMUTE
Đề tài thiết kế chế tạo máy tách vỏ xanh hạt macca tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thuộc chuyên ngành Công nghệ Chế tạo Máy. Dự án do nhóm sinh viên Đặng Minh Sang, Mai Minh Tuấn và Nguyễn Hữu Đại thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Thanh Vũ. Quả macca sau khi thu hoạch có lớp vỏ xanh xơ dày bao quanh lớp vỏ gỗ cứng. Việc bóc lớp vỏ xanh này cần thực hiện ngay trong vòng 24 giờ. Nếu để lâu, hạt dễ phát sinh nấm mốc và giảm chất lượng dầu. Phương pháp thủ công truyền thống tốn nhiều thời gian và chi phí nhân công. Năng suất lao động thủ công cũng không đáp ứng được quy mô nông trại hiện nay. Vì vậy, việc nghiên cứu cơ giới hóa khâu chế biến sơ bộ hạt macca mang tính thực tiễn cao. Thiết bị được định hướng đáp ứng năng suất từ 700 đến 750 kg mỗi giờ. Sản phẩm đầu ra yêu cầu hạt macca sạch vỏ và không bị nứt vỡ. Công trình khẳng định năng lực ứng dụng kiến thức kỹ thuật cơ khí vào sản xuất nông nghiệp công nghệ cao.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu máy tách vỏ xanh hạt macca
Cây macca được trồng phổ biến tại các tỉnh Tây Nguyên và Tây Bắc Việt Nam. Diện tích canh tác tăng trưởng liên tục tạo ra sản lượng hạt thương phẩm rất lớn. Hạt macca chứa nhiều chất béo chưa bão hòa, protein và khoáng chất quý giá. Quá trình thu hái diễn ra tập trung trong thời gian ngắn. Nông dân đối mặt với áp lực sơ chế hàng tấn hạt tươi mỗi ngày. Nếu không tách vỏ xanh kịp thời, hạt sẽ lên men và giảm phẩm cấp. Các thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài thường có giá thành rất cao. Kích thước máy ngoại nhập cũng chưa tối ưu với đặc tính giống macca Việt Nam. Đề tài tại HCMUTE xuất phát từ nhu cầu cấp bách đó.
1.2. Mục tiêu kỹ thuật của máy tách vỏ xanh hạt macca
Đồ án tốt nghiệp xác định rõ các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được. Mục tiêu quan trọng nhất là năng suất bóc tách đạt 700 đến 750 kg/h. Tỷ lệ sạch vỏ xanh của sản phẩm phải đạt trên 95 phần trăm. Tỷ lệ nứt vỡ vỏ hạt cứng bên trong được khống chế dưới 2 phần trăm. Thiết bị cần có kết cấu cơ khí gọn gàng và vận hành an toàn. Hệ thống điều khiển điện được thiết kế đơn giản, thân thiện với người nông dân. Chi phí chế tạo máy phải phù hợp với khả năng đầu tư của các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Ngoài ra, việc bảo trì và thay thế linh kiện hao mòn cũng được tính toán thuận tiện.
II. Phân tích vấn đề tách vỏ và cơ cấu máy tách vỏ xanh hạt macca
Cấu tạo hạt macca tươi gồm lớp vỏ quả ngoài màu xanh, lớp vỏ gỗ trong và phần nhân béo. Lớp vỏ xanh bám rất chắc vào bề mặt vỏ gỗ. Khi hạt vừa hái, độ ẩm cao làm liên kết giữa hai lớp vỏ rất bền vững. Nếu lực ép quá lớn, hạt gỗ sẽ bị dập nát, ảnh hưởng tới nhân bên trong. Ngược lại, nếu lực tác dụng không đủ lớn, vỏ xanh không thể bong tróc hoàn toàn. Kích thước hạt trên thực tế cũng không đồng đều. Đường kính quả dao động từ 20 đến 35 milimét tùy theo giống và điều kiện chăm sóc. Đây là thách thức kỹ thuật lớn đối với việc thiết kế khe hở làm việc. Các máy bóc vỏ hiện nay trên thị trường thường gặp tình trạng kẹt hạt hoặc gãy vỡ trục. Ma sát sinh nhiệt cao trong buồng làm việc cũng có thể làm biến tính dầu macca. Do đó, bài toán động lực học cần được giải quyết cẩn trọng thông qua tính toán kỹ lưỡng.
2.1. Thách thức cơ tính và tính chất cơ lý của quả macca
Đặc tính cơ lý của hạt macca quyết định trực tiếp đến nguyên lý bóc tách. Vỏ xanh có cấu trúc nhiều sợi xơ đàn hồi và chứa hàm lượng nước lớn. Khi chịu lực cắt đơn thuần, vỏ xanh dễ bị trượt mà không rách. Vỏ gỗ bên trong lại có độ cứng cao nhưng giòn đối với tải trọng va đập. Do vậy, cơ cấu tách vỏ không thể áp dụng lực đập mạnh. Thay vào đó, máy cần kết hợp hài hòa giữa lực nén ép và lực ma sát trượt. Khe hở giữa các bề mặt làm việc phải thích ứng được với sự dao động kích thước hạt. Sự phân bố lực đồng đều sẽ giảm thiểu nguy cơ nứt hạt.
2.2. Nhược điểm của các mẫu máy tách vỏ macca hiện hành
Nhiều cơ sở sơ chế đang sử dụng máy tách vỏ dạng trục vít hoặc mâm quay tự chế. Các dòng máy này tồn tại nhiều nhược điểm nghiêm trọng trong vận hành. Nhược điểm lớn nhất là tỷ lệ vỡ hạt cứng thường xuyên vượt quá 8 phần trăm. Tỷ lệ vỡ cao làm giảm giá trị thương phẩm hạt macca xuất khẩu. Ngoài ra, máy tự chế thường có độ bền cơ khí kém và độ rung giật lớn. Trục truyền động dễ bị cong vênh sau thời gian ngắn vận hành liên tục. Buồng bóc vỏ hay bị tắc nghẽn do xơ vỏ xanh cuốn vào trục quay. Khâu vệ sinh và bảo dưỡng máy gặp nhiều khó khăn, gây gián đoạn dây chuyền.
III. Giải pháp thiết kế chế tạo máy tách vỏ xanh hạt macca tối ưu
Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã đề xuất nguyên lý bóc tách vỏ xanh bằng cụm rulo quay ma sát. Hạt macca rơi từ phễu nạp liệu vào khoang làm việc giữa rulo và tấm má ép định vị. Trục chính của rulo được chế tạo từ thép hợp kim C45 qua xử lý nhiệt luyện, đạt độ bền kéo 750 MPa. Bề mặt rulo tiện các rãnh dẫn xoắn hoặc gắn gờ nổi nhằm tạo lực kéo cuốn hạt. Động cơ điện truyền chuyển động quay qua bộ truyền đai thang thường loại A với khoảng cách trục 300 mm. Tỷ số truyền giúp giảm tốc độ quay của rulo xuống mức phù hợp để tránh làm nứt vỏ gỗ. Lực căng ban đầu của đai được tính toán chuẩn xác ở mức 494,4 N. Toàn bộ khung máy được gia công từ thép hình chắc chắn, khử rung lắc trong khi chạy tải. Thiết kế cho phép điều chỉnh khoảng cách má ép linh hoạt theo từng dải kích cỡ quả macca.
3.1. Tính toán động học bộ truyền đai máy tách vỏ macca
Hệ thống truyền động sử dụng bộ truyền đai thang thường loại A với 1 sợi đai. Chiều dài đai được xác định chính xác là 1250 mm. Bánh đai nhỏ lắp trên trục động cơ có đường kính 63 mm. Bánh đai lớn gắn vào trục rulo có đường kính 315 mm. Tỷ số truyền đạt giá trị 5, giúp giảm tốc độ trục công tác hiệu quả. Góc ôm đai bánh nhỏ đạt 132 độ, đảm bảo khả năng truyền mô-men xoắn mà không gây hiện tượng trượt đai. Lực tác dụng lên trục rulo tính toán ở mức 902,6 N. Cơ cấu truyền động này vừa giảm chấn động va đập vừa bảo vệ động cơ khi quá tải đột ngột.
3.2. Thiết kế trục và cụm rulo bóc vỏ xanh hạt macca
Cụm rulo là bộ phận cốt lõi của máy tách vỏ xanh hạt macca. Dựa trên tính toán sức bền, đường kính tang tối thiểu xác định là 109,92 mm. Bán kính tang tính toán đạt xấp xỉ 54,96 mm ứng với lực tiếp tuyến 2449,2 N. Trục rulo được đỡ bởi hai ổ bi đỡ tự lựa gắn trên thân máy. Kết cấu này giúp triệt tiêu hiện tượng lệch tâm trong khi quay với tải trọng biến thiên. Vật liệu thép C45 đảm bảo trục chịu tốt mô-men xoắn 67298 N.mm mà không bị biến dạng dẻo. Khe hở làm việc giữa rulo và má chà được bố trí cơ cấu vít me điều chỉnh. Người vận hành có thể căn chỉnh khoảng cách linh hoạt cho từng mẻ hạt tươi.
IV. Đánh giá ứng dụng thực tiễn máy tách vỏ xanh hạt macca HCMUTE
Mẫu thử nghiệm máy tách vỏ xanh hạt macca chế tạo tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành các đợt kiểm tra thực nghiệm. Kết quả vận hành thực tế cho thấy máy đạt năng suất từ 700 đến 750 kg/h, đúng theo yêu cầu thiết kế ban đầu. Quá trình bóc vỏ diễn ra liên tục, lớp vỏ xanh bị xé rách và tách rời hoàn toàn khỏi hạt cứng. Tỷ lệ sạch vỏ đạt trên 96 phần trăm, trong khi tỷ lệ vỡ hạt cứng duy trì ở mức dưới 1,5 phần trăm. Máy vận hành êm ái nhờ kết cấu khung vững chắc và hệ dẫn động đai giảm chấn tốt. Hệ thống điều khiển khởi động thuận tiện, đảm bảo an toàn lao động tuyệt đối. Thiết bị giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt nhân công vào mùa cao điểm thu hoạch hạt macca. Đây là giải pháp kỹ thuật có tiềm năng thương mại hóa rất cao cho các vùng chuyên canh tại Đắk Lắk, Lâm Đồng.
4.1. Hiệu quả kinh tế của máy tách vỏ xanh hạt macca
Ứng dụng máy tách vỏ xanh hạt macca mang lại giá trị kinh tế trực tiếp cho nhà vườn và cơ sở chế biến. Với năng suất trên 700 kg mỗi giờ, một chiếc máy có thể thay thế sức lao động của 15 đến 20 nhân công. Thời gian thu hồi vốn đầu tư chỉ mất khoảng một đến hai mùa thu hoạch hạt. Việc bóc vỏ tươi nhanh chóng trong ngày giữ trọn vẹn chất lượng hạt, ngăn chặn nguy cơ ẩm mốc hay thâm đen nhân. Nhờ đó, hạt macca sau khi sấy khô đạt tiêu chuẩn xuất khẩu với giá bán cao hơn. Chi phí vận hành điện năng của máy cũng rất tiết kiệm.
4.2. Khả năng nhân rộng mô hình máy tách vỏ hạt macca
Đồ án tốt nghiệp tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra hướng đi triển vọng cho cơ khí nông nghiệp trong nước. Toàn bộ quy trình tính toán, bản vẽ gia công và phần tử điều khiển đều được hoàn thiện chi tiết. Các vật tư chế tạo như thép C45, động cơ điện, bộ truyền đai thang và ổ lăn đều sẵn có trên thị trường. Các xưởng cơ khí địa phương có thể dễ dàng tiếp nhận chuyển giao công nghệ để sản xuất hàng loạt. Việc tự chủ thiết bị trong nước giúp giảm hơn một nửa chi phí so với máy nhập khẩu. Công trình đóng góp thiết thực vào chuỗi giá trị nông nghiệp hiện đại.
