Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cây dừa (Cocos nucifera) là loại cây trồng nông nghiệp phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt tập trung với diện tích và sản lượng lớn tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Quả dừa tươi phục vụ nhu cầu giải khát nội địa tại các đô thị lớn, khu du lịch, chuỗi siêu thị và định hướng xuất khẩu đòi hỏi phải qua công đoạn gọt bỏ lớp vỏ ngoài nhằm tăng tính thẩm mỹ, giảm khối lượng và thể tích vận chuyển. Tuy nhiên, phần lớn các cơ sở kinh doanh, sơ chế dừa hiện nay vẫn sử dụng phương pháp gọt vỏ thủ công bằng dao bản lớn (dao mác, dao phay, rựa). Quá trình gọt vỏ dừa bằng tay tốn nhiều thời gian, tiêu hao thể lực của người lao động, năng suất thấp và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động.

Đề tài "Tính toán, thiết kế cơ cấu chấp hành của máy gọt vỏ dừa tươi" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của giảng viên Ngô Tiến Hoàng nhằm giải quyết bài toán cơ giới hóa công đoạn gọt vỏ dừa, hạ giá thành sản xuất và nâng cao năng suất sơ chế nông sản.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về đặc tính sinh học, cơ lý tính của quả dừa tươi và phân loại các giống dừa phổ biến tại Việt Nam.
  2. Khảo sát các mẫu máy gọt vỏ dừa hiện có trên thị trường trong và ngoài nước để rút ra ưu nhược điểm kỹ thuật.
  3. Đề xuất và phân tích 5 phương án kết cấu máy; lựa chọn phương án thiết kế tối ưu phù hợp với điều kiện chế tạo và vận hành.
  4. Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động và lập kế hoạch tiến độ thực hiện dự án (sơ đồ Gantt).
  5. Tính toán động học và động lực học hệ thống dẫn động: xác định chế độ cắt, tính lực cắt, lựa chọn động cơ điện phù hợp.
  6. Tính toán thiết kế chi tiết các bộ phận cơ khí: bộ truyền đai thang, trục truyền động, then, bộ phận dao cắt định hình và lựa chọn, kiểm nghiệm ổ lăn.

Đối tượng nghiên cứu là cơ cấu chấp hành và hệ thống truyền động của máy gọt vỏ dừa tươi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các giống dừa uống nước có kích thước đường kính trung bình từ 150 mm đến 250 mm tại khu vực miền Nam Việt Nam. Đồ án được hoàn thành vào ngày 19 tháng 8 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài ứng dụng các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cơ khí, bao gồm:

  • Nguyên lý chi tiết máy và tính toán hệ dẫn động: Ứng dụng các giáo trình tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí để xác định công suất, tỷ số truyền, mô men xoắn, kích thước bộ truyền đai thang, thiết kế trục, then và kiểm nghiệm ổ lăn.
  • Lý thuyết chế độ cắt và sức cản cắt thái nông sản: Ứng dụng mô hình tính toán chế độ cắt gia công cơ khí kết hợp lý thuyết sức cản cắt thái rau củ quả để xác định lực cắt tiếp tuyến, lực cản cắt riêng của xơ dừa dựa trên diện tích lát cắt, góc mài dao, hệ số ma sát và cơ tính vật liệu dừa.
  • Cơ lý tính vật liệu quả dừa: Sử dụng số liệu thực nghiệm về cơ tính quả dừa gồm lực liên kết cuống (20 – 40 N), độ bền vỏ quả (200 – 350 N) và độ bền gáo dừa (1200 – 2000 N).

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành cơ khí và nông sản.
  • Phương pháp so sánh định tính và định lượng giữa các phương án kết cấu cơ khí.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật theo các công thức và tiêu chuẩn thiết kế chi tiết máy.
  • Phương pháp mô hình hóa hình học bằng phần mềm thiết kế 2D và 3D.

Nguồn dữ liệu tính toán được trích xuất từ các tài liệu tham khảo kỹ thuật chi tiết máy, sổ tay chế độ cắt gia công cơ khí, tài liệu máy chế biến nông sản thực phẩm và dữ liệu khảo sát thực tế các giống dừa Đồng bằng sông Cửu Long.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy gọt vỏ dừa tươi được thiết kế theo dạng bán tự động kết hợp dẫn động cơ điện và điều khiển chạy dao bằng tay quay ren:

  • Cơ cấu định vị và kẹp: Quả dừa được định vị và gá đặt trên bàn chông xoay gắn với trục chính, định vị dựa vào độ bền gáo và liên kết cuống.
  • Hệ thống dẫn động chính: Động cơ điện xoay chiều truyền mô men qua bộ truyền đai thang loại A (3 dây đai) đến trục chính làm quay quả dừa với tốc độ từ 167,8 đến 279,7 vòng/phút (chọn tốc độ sơ bộ 300 vòng/phút).
  • Cơ cấu chấp hành gọt vỏ (2 cụm dao độc lập):
    • Cụm dao gọt thân xung quanh: Sử dụng dao cắt thẳng được gắn trên bàn trượt dẫn hướng, tịnh tiến hướng kính thông qua cơ cấu trục vít – đai ốc điều khiển bằng tay quay số 1.
    • Cụm dao gọt chóp dừa: Sử dụng lưỡi dao định hình đặt nghiêng, tịnh tiến theo phương thẳng đứng nhờ cơ cấu trục ren điều khiển bằng tay quay số 2.
  • Quy trình triển khai thiết kế 16 tuần: Nhóm 4 thành viên phân chia nhiệm vụ lập kế hoạch (2 tuần), xác định yêu cầu (1 tuần), lựa chọn phương án (1 tuần), tính toán dẫn động (1 tuần), tính động lực học (2 tuần), thiết kế mô hình 3D (2 tuần), xuất bản vẽ chế tạo 2D (4 tuần), hoàn thiện bản vẽ (1 tuần), viết thuyết minh (1 tuần) và báo cáo bảo vệ (1 tuần).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương này trình bày cơ sở thực vật học của cây dừa (Cocos nucifera), cấu tạo giải phẫu quả dừa gồm vỏ quả ngoài, vỏ quả giữa (lớp xơ dừa chiếm 40% khối lượng), vỏ quả trong (gáo/sọ dừa hóa gỗ) và nội nhũ (cùi dừa, nước dừa chiếm 20%). Độ ẩm và độ bền cơ tính của quả dừa ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt gọt và khả năng định vị khi gia công.

Tác giả thống kê đặc tính của 8 giống dừa trồng tại Việt Nam:

Tên giống dừa Năng suất (trái/cây/năm) Thời gian cho trái (năm) Thể tích nước (ml/trái) Hàm lượng đường (%) Đặc điểm hình thái
Dừa xiêm xanh 140 – 150 2,5 – 3 250 – 350 7 – 7,5 Vỏ mỏng màu xanh, vị ngọt thanh
Dừa xiêm đỏ 140 – 150 3 250 – 350 7 – 7,5 Vỏ mỏng màu nâu đỏ, vị ngọt thanh
Dừa Tam Quan 100 – 120 3 250 – 350 7,5 – 8 Vỏ mỏng màu vàng sáng, dùng làm thuốc
Dừa ẻo (dừa dây) 250 – 300 - 100 – 150 7 – 7,5 Trái nhỏ, vỏ xanh, dùng làm kem/rau câu
Dừa ta 60 – 70 4,5 – 5 - - Trái to 3 khía, cơm dày 11–13mm, dầu 63–65%
Dừa sáp 50 – 60 4 – 4,5 - - Cơm dừa xốp, nước sệt như keo (tỷ lệ sáp 20–25%)
Dừa xiêm lục 200 – 300 - - - Trái nhỏ hơn xiêm xanh, vỏ rất mỏng
Dừa xiêm xanh ruột hồng 120 – 150 2 – 2,5 300 – 400 - Trái 1,5–1,8 kg, vỏ trong và cuống có màu hồng

Chương I cũng khảo sát máy gọt dừa của anh Lê Tân Kỳ (Bến Tre) đạt năng suất 100–150 trái/giờ, máy thương mại trên thị trường dùng 2 động cơ (800W xoay và 60W đẩy) hoàn thiện trái trong 25–30 giây, cùng máy gọt dừa của sinh viên Thái Lan.

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Chương II phân tích ưu và nhược điểm của 5 phương án thiết kế máy:

  • Phương án 1: Động cơ dẫn động qua đai làm dừa quay; dao gọt thân tịnh tiến tay; dao chóp định hình tịnh tiến đi lên; gọt đáy thủ công. Nhược điểm: gọt không đồng thời, lớp vỏ không đều.
  • Phương án 2 (Phương án được chọn): Động cơ làm quay dừa; dao gọt xung quanh tịnh tiến qua cơ cấu trục vít – thanh trượt bằng tay quay; dao định hình gọt chóp tịnh tiến đứng bằng trục ren quay tay. Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ gia công, dễ vệ sinh, gọt được nhiều kích cỡ dừa khác nhau.
  • Phương án 3: Truyền động thanh răng – bánh răng, vít – đai ốc có 2 chế độ tự động và thủ công, kẹp dừa bằng motor điện. Nhược điểm: sử dụng 2 động cơ, không thích ứng tốt với kích thước dừa đa dạng.
  • Phương án 4: Cắt chóp và kẹp dừa hoàn toàn bằng sức người thông qua bộ truyền thanh răng – bánh răng. Nhược điểm: tốn nhiều sức lao động.
  • Phương án 5: Sử dụng piston cảm biến kẹp và điều khiển dao tự động cùng vít me hành trình. Nhược điểm: chi phí thiết bị cao, yêu cầu nguồn cấp phức tạp.

CHƯƠNG III: NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

Trình bày sơ đồ bố trí nguyên lý gồm chông định vị, tay quay trục ren số 1 (cắt thân), tay quay trục ren số 2 (cắt chóp), cụm bánh đai nhỏ và bánh đai lớn. Chu trình hoạt động gồm 5 bước: gá dừa -> khởi động động cơ xoay dừa -> quay tay ren 1 tiến dao cắt thân và lùi dao -> quay tay ren 2 hạ dao cắt chóp -> lấy dừa ra cắt đáy thủ công. Tiến độ công việc được xây dựng theo sơ đồ Gantt 16 tuần phân công rõ từng vị trí thực hiện.

CHƯƠNG IV: CHỌN ĐỘNG CƠ

Xác định chế độ cắt gọt với các thông số: tuổi bền dao $T = 60$ phút, lượng chạy dao $S = 0,025\text{ mm/vòng}$, hệ số $C_v = 328$, $m = 0,23$, $y = 0,25$. Số vòng quay tính toán của quả dừa đạt $n = 167,8 \div 279,7\text{ vòng/phút}$ tương ứng đường kính $D = 150 \div 250\text{ mm}$.

Lực cắt tính toán: Với tiết diện cắt của dao $S = 10 \times 0,25 = 2,5\text{ cm}^2$, xác định lực cắt cần thiết $F = 224,2\text{ N}$. Căn cứ hiệu suất bộ truyền đai thang và ổ lăn, nhóm chọn động cơ điện không đồng bộ ba pha ký hiệu 4A100L6Y3 với các thông số:

  • Công suất định mức: $P = 2,2\text{ kW}$
  • Số vòng quay: $n = 950\text{ vòng/phút}$
  • Hệ số công suất $\cos\varphi = 0,73$
  • Hiệu suất: $\eta = 81%$
  • Tỷ số truyền hệ thống: $u \approx 3,17$ (chọn sơ bộ $u = 3,2$).

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN CHỌN ĐAI

Thiết kế bộ truyền đai thang dẫn động từ trục động cơ sang trục chính mang chông gọt dừa:

  • Loại đai: Đai thang loại A.
  • Bánh đai nhỏ (chủ động): đường kính danh nghĩa $d_1 = 112\text{ mm}$, đường kính ngoài $d_{a1} = 118,6\text{ mm}$.
  • Bánh đai lớn (bị dẫn): đường kính danh nghĩa $d_2 = 355\text{ mm}$, đường kính ngoài $d_{a2} = 361,6\text{ mm}$.
  • Khoảng cách trục chính xác: $a = 415,45\text{ mm}$.
  • Chiều dài đai tiêu chuẩn: $L = 1600\text{ mm}$.
  • Góc ôm bánh đai nhỏ: $\alpha_1 = 146,66^\circ$.
  • Số đai yêu cầu: $Z = 3$ đai.
  • Chiều rộng bánh đai: $B = 50\text{ mm}$.
  • Lực căng ban đầu: $F_0$; Lực vòng có ích: $F_t = 394,97\text{ N}$; Lực tác dụng lên trục: $F_r = 2095\text{ N}$.

CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TRỤC VÀ THEN

  • Vật liệu chế tạo trục: Thép cacbon kết cấu C45 thường hóa có ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 50\text{ MPa}$.
  • Đường kính ngõng trục tính toán tại các tiết diện nguy hiểm:
    • Đường kính vị trí lắp cặp ổ lăn: $d_{ol} = 20\text{ mm}$.
    • Đường kính vị trí lắp bánh đai: $d_d = 25\text{ mm}$.
  • Lập biểu đồ mômen uốn $M_x, M_y$ và mômen xoắn $T$ trên hai mặt phẳng $yOz$ và $xOz$.
  • Kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục: hệ số an toàn uốn $s_\sigma = 3,051$, hệ số an toàn xoắn thỏa mãn điều kiện $s \ge [s] = 2$.
  • Tính chọn then bằng cho trục: Kích thước tiết diện then $b \times h = 8 \times 7\text{ mm}$, chiều dài then kiểm tra theo điều kiện bền dập $[\sigma_d] \le 100\text{ MPa}$ và bền cắt $[\tau_c] \le 40\text{ MPa}$, kết quả đều thỏa mãn điều kiện bền.

CHƯƠNG VII: THIẾT KẾ BỘ PHẬN CẮT

Trình bày cấu tạo góc đặt lưỡi dao gọt thân và dao gọt chóp nghiêng theo biên dạng quả dừa. Ứng dụng lý thuyết sức cản cắt thái nông sản, lực cản cắt bao gồm sức cản cố định (phụ thuộc độ bền cơ học của quả, bề dày lưỡi dao, góc mài), sức cản biến dạng lát thái (ma sát mặt trước và mặt sau dao) và sức cản do vận tốc cắt. Kết quả tính toán xác định lực cản cắt thái riêng của dao gọt dừa đạt $q = 125,351\text{ N/m}$.

CHƯƠNG VIII: TÍNH TOÁN CHỌN Ổ LĂN

  • Tải trọng hướng tâm tác dụng lên các ổ lăn đỡ trục: tại gối đỡ ổ 10 là $F_{r10} = 1684,206\text{ N}$; tại gối đỡ ổ 11 là $F_{r11} = 447,7\text{ N}$.
  • Chế độ làm việc: thời gian phục vụ $L_h = 12000\text{ giờ}$ (tương đương 5 năm làm việc, 8 giờ/ngày).
  • Tuổi thọ tính toán theo số triệu vòng quay: $L = 216\text{ triệu vòng quay}$.
  • Khả năng tải động tính toán của ổ: $C_d = 12,126\text{ kN}$.
  • Chọn ổ lăn đỡ trục có đường kính trong $d = 20\text{ mm}$, tiến hành kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh và số vòng quay giới hạn, kết quả ổ lăn đảm bảo khả năng làm việc an toàn.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán kỹ thuật phục vụ chế tạo máy gọt vỏ dừa tươi:

  • Thông số kỹ thuật của hệ thống:
    • Động cơ điện: 4A100L6Y3 ($2,2\text{ kW}$, $950\text{ vòng/phút}$).
    • Bộ truyền đai thang: 3 đai loại A, bánh đai nhỏ đường kính $112\text{ mm}$, bánh đai lớn $355\text{ mm}$, khoảng cách trục $415,45\text{ mm}$.
    • Trục chính: Thép C45, đường kính lắp ổ $20\text{ mm}$, đường kính lắp đai $25\text{ mm}$, then bằng $8 \times 7\text{ mm}$.
    • Lực cản cắt thái riêng của dao: $125,351\text{ N/m}$.
    • Ổ lăn: Đường kính trong $d = 20\text{ mm}$, khả năng tải động $12,126\text{ kN}$, tuổi thọ làm việc đạt 12000 giờ.
  • Giải pháp đề xuất: Chọn phương án 2 với kết cấu dẫn động cơ điện kết hợp cơ cấu chạy dao trục vít – đai ốc điều khiển tay quay, giúp hệ thống có kết cấu gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp, dễ bảo trì và dễ thích ứng với các kích cỡ dừa khác nhau.
  • Đóng góp kỹ thuật: Cung cấp đầy đủ cơ sở tính toán lý thuyết và phương pháp kiểm nghiệm độ bền cơ học cho máy sơ chế nông sản quả dừa, làm tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh cho quá trình gia công thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật của đề tài:

  • Các thao tác điều khiển bước tiến của dao cắt thân, dao cắt chóp và công đoạn cắt phẳng đáy dừa vẫn phải thực hiện bằng tay thông qua tay quay cơ khí và dao thủ công.
  • Máy chưa tích hợp hệ thống tự động cấp phôi (dừa nguyên liệu) và kẹp dừa tự động bằng khí nén hoặc thủy lực.
  • Chưa tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm và đo kiểm lực cắt thực tế để đối chứng với kết quả tính toán lý thuyết.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tự động hóa quá trình chạy dao bằng cách tích hợp động cơ bước/servo hoặc cơ cấu cam – vít me tự động.
  • Bổ sung cụm dao cắt đáy tự động để hoàn thiện quả dừa hoàn chỉnh trong một lần gá đặt.
  • Ứng dụng cảm biến kích thước để tự động nhận dạng biên dạng quả dừa, nâng cao độ đồng đều sau khi gọt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Máy nông nghiệp thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy, Đồ án Thiết kế máy hoặc Khóa luận tốt nghiệp.
  • Cán bộ kỹ thuật và các xưởng cơ khí chế tạo nông cụ, máy chế biến thực phẩm có nhu cầu tra cứu quy trình tính toán lực cắt nông sản, thiết kế bộ truyền đai, trục, then và ổ lăn cho máy sơ chế dừa tươi.
  • Các phần có giá trị tham khảo cao: quy trình tính toán chế độ cắt dừa (Chương IV, Chương VII) và chuỗi tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục (Chương VI).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương án 2 thay vì phương án sử dụng piston cảm biến tự động (phương án 5)? Phương án 5 tuy tiết kiệm thời gian và tự động hóa cao nhưng chi phí thiết bị lớn và yêu cầu nguồn điện, khí nén phức tạp. Phương án 2 sử dụng tay quay trục ren – thanh trượt được lựa chọn vì có cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ bảo dưỡng, phù hợp khả năng tài chính của các cơ sở sơ chế nhỏ và dễ điều chỉnh theo nhiều kích cỡ dừa khác nhau.

2. Động cơ điện được chọn cho máy có thông số kỹ thuật như thế nào? Động cơ được chọn là loại động cơ không đồng bộ ba pha ký hiệu 4A100L6Y3, công suất định mức $2,2\text{ kW}$, số vòng quay trục động cơ là $950\text{ vòng/phút}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,73$ và hiệu suất đạt $81%$.

3. Bộ truyền đai thang sử dụng bao nhiêu dây đai và thông số hình học ra sao? Bộ truyền sử dụng 3 dây đai thang loại A ($Z = 3$), chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 1600\text{ mm}$, bánh đai dẫn có đường kính $d_1 = 112\text{ mm}$, bánh đai bị dẫn $d_2 = 355\text{ mm}$, khoảng cách trục chính xác $a = 415,45\text{ mm}$ và góc ôm trên bánh đai nhỏ $\alpha_1 = 146,66^\circ$.

4. Kích thước trục và then tại các tiết diện nguy hiểm được xác định là bao nhiêu? Trục được làm từ thép C45 thường hóa. Tiết diện tại vị trí lắp cặp ổ lăn có đường kính $d = 20\text{ mm}$, tại vị trí lắp bánh đai có đường kính $d = 25\text{ mm}$. Then bằng được chọn có tiết diện rộng $b = 8\text{ mm}$ và cao $h = 7\text{ mm}$, kiểm nghiệm đạt độ bền uốn, xoắn, dập và cắt.

5. Lực cản cắt thái riêng của dao gọt dừa được tính toán bằng bao nhiêu? Dựa trên công thức lý thuyết sức cản cắt thái củ quả và các thông số cơ lý tính của quả dừa, lực cản cắt thái riêng tính toán cho một đơn vị bề dài lưỡi dao đạt $q = 125,351\text{ N/m}$.

Kết luận

Đồ án "Tính toán, thiết kế cơ cấu chấp hành của máy gọt vỏ dừa tươi" đã hoàn thành đầy đủ nội dung thiết kế kỹ thuật một máy sơ chế nông sản bán tự động quy mô vừa và nhỏ. Toàn bộ chuỗi tính toán từ chế độ cắt, công suất động cơ ($2,2\text{ kW}$), bộ truyền đai thang (3 đai loại A), hệ trục - then đến ổ lăn đều được thực hiện bài bản và kiểm nghiệm thỏa mãn điều kiện bền. Kết quả của đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, có tính ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên ngành cơ khí và các đơn vị nghiên cứu phát triển máy phục vụ chế biến nông sản tại Việt Nam.