Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cây sen (Nelumbo nucifera Gaertn., thuộc họ Nelumbonaceae) là loài thực vật thủy sinh phân bố rộng rãi tại châu Á, trong đó có Việt Nam. Tại các vùng chuyên canh như Đồng Tháp Mười, hiệu quả kinh tế từ 1 ha trồng sen ước tính cao gấp khoảng 2 lần so với 1 ha trồng lúa. Thời gian sinh trưởng của cây sen kéo dài từ 4 đến 5 tháng tùy theo hình thức nhân giống (nhân giống từ hạt mất 5 tháng, nhân giống từ ngó sen mất 4 tháng). Thời vụ thu hoạch tập trung từ tháng 5 đến tháng 7 hàng năm, kéo dài trong khoảng 40 đến 50 ngày với chu kỳ hái từ 3 đến 5 ngày một lần.

Sau khi thu hái, quả sen tươi rất dễ bị thối rữa và lên men hư hỏng sau 24 đến 36 giờ nếu không được sơ chế kịp thời. Hạt sen sau khi tách khỏi đài sen cần được bóc vỏ và làm khô ngay, bởi hàm lượng chất béo cao trong nhân sen khiến nguyên liệu rất kỵ nước. Khi bị ẩm mốc, nhân sen chuyển từ màu trắng sang màu vàng, làm giá trị xuất khẩu sụt giảm từ 20% đến 30% so với sản phẩm cùng cấp.

Tại Việt Nam, điển hình như địa bàn thành phố Hưng Yên, có trên 100 cơ sở chế biến hạt sen quy mô vừa và nhỏ, giải quyết việc làm cho khoảng 3.000 lao động địa phương với sản lượng bình quân mỗi cơ sở đạt 10 đến 20 tấn hạt sen/tháng. Tuy nhiên, phần lớn các khâu chế biến vẫn phụ thuộc nặng nề vào lao động thủ công:

  • Năng suất bóc vỏ thủ công bằng dao cắt chỉ đạt từ 7 đến 8 kg nhân/người/ca 8 giờ (hoặc 8 đến 10 kg/người/8 giờ tùy tay nghề).
  • Phương pháp bóc vỏ cơ giới hiện có trên thị trường tồn tại nhược điểm lớn về tỷ lệ vỡ nhân (hệ thống va đập làm vỡ khoảng 10% nhân, hệ thống dao cắt từng hạt gây vỡ từ 20% đến 30%).

Nhằm giải quyết nút thắt về năng suất và tỷ lệ nguyên vẹn hạt sen phục vụ tiêu thụ nội địa cũng như xuất khẩu sang các thị trường Đài Loan, Trung Quốc và Đông Nam Á, đề tài tốt nghiệp ngành Cơ khí Chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã được triển khai với các mục tiêu và giới hạn sau:

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Tính toán và thiết kế máy tách vỏ hạt sen đạt năng suất định mức từ 25 đến 30 kg/h.
  2. Chế tạo mô hình thực nghiệm máy bóc vỏ hạt sen nhằm kiểm chứng nguyên lý làm việc và độ tin cậy của các tính toán lý thuyết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hạt sen tươi sau khi tách khỏi gương sen; các cụm cơ cấu cơ khí phục vụ quá trình định hướng, cắt khía rãnh vỏ và chà tách vỏ hạt sen.
  • Phạm vi thuyết minh và tính toán: Tính toán động học, động lực học và độ bền cho hệ thống băng tải phẳng cấp liệu; tính toán lựa chọn động cơ điện, phân phối tỷ số truyền, thiết kế các bộ truyền đai thang, bộ truyền xích, hệ thống 3 trục truyền động, then và ổ lăn đỡ trục.
  • Phạm vi chế tạo mô hình: Tập trung gia công, chế tạo và lắp ráp cụm cơ cấu bóc vỏ hạt sen nhằm kiểm nghiệm nguyên lý cắt - chà ma sát và đánh giá khả năng vận hành thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cơ học ứng dụng và tính toán chi tiết máy trong ngành cơ khí chế tạo:

  • Đặc tính cơ lý và hình thái học của hạt sen: Vỏ hạt sen mềm nhưng dai, nhân sen giòn và dễ vỡ vụn dưới tác dụng của tải trọng va đập lớn. Do đó, nguyên lý tác động cơ học tối ưu là sử dụng lực cắt cục bộ để rạch đứt liên kết vỏ theo chu vi, sau đó áp dụng lực ma sát tiếp tuyến để trượt tách vỏ ra khỏi nhân.
  • Lý thuyết tính toán băng tải: Sử dụng công thức xác định năng suất khối lượng $Q = 3600 \cdot A \cdot v \cdot \rho$, trong đó diện tích tiết diện dòng vật liệu $A = \pi \cdot 10^{-4}\text{ m}^2$, khối lượng riêng của hạt sen $\rho = 0{,}95\text{ g/mm}^3$ ($950\text{ kg/m}^3$), bề rộng dòng vật liệu $b = 20\text{ mm}$, bề rộng băng $B = 40\text{ mm}$.
  • Phương pháp xác định lực căng băng tải: Phương pháp Euler và biểu đồ lực căng từng điểm trên nhánh tải và nhánh không tải ($S_1, S_2, S_3, S_4$) với hệ số ma sát giữa tang và băng bọc cao su $f = 0{,}3$, góc ôm tang $\alpha = 180^\circ$.
  • Lý thuyết tính toán truyền động cơ khí: Tính toán động lực học theo các tiêu chuẩn thiết kế chi tiết máy truyền thống (tính toán bộ truyền đai thang theo công suất cho phép $[P_0]$, góc ôm bánh đai nhỏ $\alpha_1 \ge 120^\circ$, hệ số trượt $\varepsilon = 0{,}02$; tính toán độ bền mỏi của trục theo hệ số an toàn uốn và xoắn với vật liệu thép C45 tôi cải thiện có giới hạn bền $\sigma_b = 600\text{ MPa}$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh phương án: Khảo sát các nguyên lý bóc vỏ nông sản hiện hành (thủ công, cạo xước bằng ma sát va đập, chà râu đánh đàn hồi, cắt cơ giới) để phân tích ưu - nhược điểm và lựa chọn nguyên lý bóc vỏ tối ưu cho hạt sen.
  • Phương pháp giải tích tính toán kỹ thuật: Lập chuỗi công thức giải tích tính toán công suất cản, chọn công suất động cơ điện, phân phối tỷ số truyền qua 2 cấp truyền động đai và 1 cấp truyền động xích; giải hệ phương trình cân bằng tĩnh học để xác định phản lực liên kết tại các gối đỡ ổ lăn trên các trục I, II và III.
  • Phương pháp chế tạo và thử nghiệm thực tế: Gia công cơ khí (tiện, phay, hàn khung sườn) các chi tiết theo bản vẽ thiết kế; lắp ráp mô hình thực máy bóc vỏ hạt sen tại xưởng cơ khí và tiến hành chạy thử nghiệm bóc tách hạt sen để hiệu chỉnh khe hở làm việc giữa lưỡi dao và băng tải.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy bóc vỏ hạt sen được cấu thành từ 4 phân hệ chính: cơ cấu cấp phôi định hướng, cơ cấu băng tải vận chuyển, cơ cấu cắt và tách vỏ, cùng hệ thống dẫn động động lực.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hạt sen sau khi tách khỏi ngó được đưa vào máng cấp liệu. Cơ cấu cửa chặn phôi thực hiện chức năng san phẳng và sắp xếp hạt sen thành một hàng đơn nhất quán, ngăn ngừa hiện tượng hạt chồng chéo gây kẹt hoặc dập nát khi tiến vào vùng gia công.

Băng tải cao su phẳng kéo hạt sen di chuyển tịnh tiến qua cụm dao cắt cố định. Dưới tác dụng của lực nén tì và chuyển động lăn tròn của hạt dọc theo hành trình băng tải, lưỡi dao rạch một đường rãnh nông liên tục suốt chu vi thân hạt, chia tách lớp vỏ ngoài thành hai nửa đối xứng. Ngay sau vị trí cắt, hạt sen tiếp tục chịu tác dụng của lực ma sát tiếp tuyến giữa bề mặt băng tải chuyển động và cán dao (hoặc con lăn chà xát). Lực ma sát này bóc tách hoàn toàn hai mảnh vỏ ra khỏi nhân sen mà không làm vỡ phôi mầm bên trong. Vỏ và nhân sen thành phẩm di chuyển đến cuối hành trình băng tải và rơi vào khay hứng.

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật thiết kế của hệ thống

Hạng mục / Bộ phận Đại lượng thông số Giá trị thiết kế Đơn vị tính
Năng suất máy Năng suất danh định ($Q$) 25 – 30 kg/h
Băng tải cao su Vận tốc chuyển động của băng ($v$) 0,8 – 1,0 m/s
Bề rộng băng tải ($B$) 40 mm
Số lớp đệm vải cao su ($i$) 3 lớp
Chiều dày lớp cao su mặt có tải ($\delta_1$) / không tải ($\delta_2$) 1,5 / 1,0 mm
Lực kéo căng tại các điểm ($S_1$ / $S_2$ / $S_3$ / $S_4$) 0,84 / 2,00 / 2,14 / 2,94 kG
Lực kéo chung của băng tải ($W$) 2,25 ($22,5\text{ N}$) kG
Lực tác dụng lên trục tang ($R_0$) 67,5 N
Động cơ điện Công suất yêu cầu trên trục động cơ ($P_{ct}$) 0,72 kW
Công suất danh định chọn máy ($P_{dc}$) 0,60 – 0,75 kW
Số vòng quay trục động cơ ($n_{dc}$) 1400 vòng/phút
Bộ truyền động Tỷ số truyền chung của hệ thống ($u_{ch}$) 8,80 —
Tỷ số truyền cấp nhanh đai thang ($u_1$) 3,00 —
Tỷ số truyền cấp chậm đai thang ($u_2$) 2,93 —
Bộ truyền đai nhanh Tiết diện đai / Chiều dài đai ($L$) Đai thang loại B / 1250 mm
Đường kính bánh đai dẫn ($d_1$) / bị dẫn ($d_2$) 100 / 300 mm
Khoảng cách trục ($a$) / Góc ôm bánh đai nhỏ ($\alpha_1$) 294 / $141^\circ 13'$ mm / độ
Số lượng dây đai ($Z$) / Bề rộng bánh đai ($B$) 1 / 34 dây / mm
Lực tác dụng lên trục I ($F_{r1}$) 203,63 N
Bộ truyền đai chậm Tiết diện đai / Chiều dài đai ($L$) Đai thang loại B / 1500 mm
Đường kính bánh đai dẫn ($d_1$) / bị dẫn ($d_2$) 120 / 350 mm
Khoảng cách trục ($a$) / Góc ôm bánh đai nhỏ ($\alpha_1$) 362,6 / $143^\circ 50'$ mm / độ
Số lượng dây đai ($Z$) / Bề rộng bánh đai ($B$) 1 / 34 dây / mm
Lực tác dụng lên trục II ($F_{r2}$) 441,65 N
Bộ truyền xích Vận tốc vòng xích ($v$) / Lực vòng ($P_t$) 0,8 / 750 m/s / N
Lực căng xích tác dụng lên trục ($F_x$) 787,5 N
Hệ thống trục Vật liệu chế tạo trục / Giới hạn bền kéo ($\sigma_b$) Thép C45 tôi cải thiện / 600 MPa
Đường kính trục sơ bộ các trục I, II, III ($d_1, d_2, d_3$) 25 mm
Đường kính ngõng trục lắp gối đỡ ổ lăn 20 mm
Kích thước then trục 1 ($b \times h \times l$) $6 \times 6 \times 25$ mm
Kích thước then trục 2 ($b \times h \times l$) $6 \times 7 \times 20$ mm
Kích thước then trục 3 ($b \times h \times l$) $6 \times 7 \times 18$ mm

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh chung về nguồn gốc, diện tích canh tác và giá trị kinh tế của cây sen trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả nhấn mạnh tiềm năng phát triển tại khu vực Đồng Tháp Mười, nơi hiệu quả kinh tế cây sen vượt gấp 2 lần cây lúa. Khảo sát thị trường cho thấy sự phát triển của hơn 100 cơ sở sơ chế tại Hưng Yên, tạo việc làm cho hơn 3.000 lao động nông nhàn với khối lượng xử lý từ 10 đến 20 tấn hạt/cơ sở/tháng.

Chương này cũng xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu là thiết kế hệ thống bóc vỏ đạt công suất 25–30 kg/h và khoanh vùng giới hạn thực hiện vào việc tính toán băng tải, cơ cấu truyền động và chế tạo mô hình thử nghiệm cụm bóc vỏ hạt sen.

Chương 2: Đặc điểm thực vật học cây sen – Thu hoạch và chế biến hạt sen

Chương 2 mô tả chi tiết các đặc điểm hình thái và dược tính của cây sen (Nelumbo nucifera). Thân rễ sen bò ngang đến 3 m trong bùn; cuống lá dài 1–1,5 m có gai nhỏ; lá sen không thấm nước rộng 20–30 cm. Về mặt dinh dưỡng, 100 g hạt sen cung cấp 350 calo, 63–68 g carbohydrate, 17–18 g protein và chỉ có 1,9–2,5 g chất béo.

Tác giả phân tích các công đoạn sau thu hoạch: thời vụ hái tốt nhất từ tháng 5 đến tháng 7; quá trình sơ chế phải diễn ra trong 24–36 giờ để tránh lên men. Phân tích so sánh các quy trình chế biến chỉ ra rằng phương pháp thủ công cho tỷ lệ nhân nguyên vẹn cao (>85% hoặc >90%), nhưng năng suất thấp (7–8 kg/8 giờ). Phương pháp cơ giới hóa va đập có năng suất cao nhưng tỷ lệ dập vỡ lên tới 10%, và phương pháp dùng dao cắt từng hạt có tỷ lệ vỡ 20–30%.

Chương 3: Cơ sở tính toán và thiết kế phương án

Chương 3 khảo sát và so sánh 3 phương pháp bóc vỏ nông sản:

  • Phương pháp cạo xước vỏ (dùng lon đục lỗ lắc): Năng suất gấp 1,5–2 lần dao cạo nhưng hạt bị xước bề mặt và tỷ lệ sạch vỏ chỉ đạt 30–40%.
  • Phương pháp dùng râu đánh đàn hồi (sợi thép uốn lò xo): Năng suất bóc vỏ lụa cao đạt 250 kg/h, độ sạch 80–85%, tỷ lệ vỡ 3–5%.
  • Phương pháp cắt rãnh chu vi kết hợp lực ma sát tiếp tuyến: Được tác giả lựa chọn làm phương án tối ưu. Nguyên lý này dùng dao cắt khía một rãnh nông liên tục quanh thân hạt rồi dùng lực ma sát giữa băng tải và thanh cán để tách vỏ, hạn chế triệt để lực va đập gây vỡ nhân hạt.

Chương 4: Tính toán thiết kế băng tải

Chương 4 thực hiện các bước tính toán động học và động lực học cho băng tải cấp liệu:

  • Xác định vận tốc băng tải dựa trên năng suất yêu cầu $Q = 25 - 30\text{ kg/h}$ với tiết diện $A = \pi \cdot 10^{-4}\text{ m}^2$ và $\rho = 0{,}95\text{ g/mm}^3$.
  • Chiều rộng băng tải tiêu chuẩn được chọn là $B = 40\text{ mm}$ (dựa trên bề rộng dòng vật liệu $b = 20\text{ mm}$).
  • Kết cấu băng gồm 3 lớp đệm vải, bề dày cao su tải 1,5 mm và không tải 1,0 mm.
  • Tính toán lực cản chuyển động tại các điểm: lực căng tại điểm vào tang dẫn $S_1 = 0{,}84\text{ kG}$, điểm ra $S_4 = 2{,}94\text{ kG}$. Lực kéo chung của băng $W = 2{,}25\text{ kG}$ ($22{,}5\text{ N}$). Lực tác dụng lên trục tang dẫn động $R_0 = 67{,}5\text{ N}$.

Chương 5: Tính toán và thiết kế bộ truyền động

Chương 5 là nội dung tính toán cơ khí chi tiết nhất của đồ án:

  • Động cơ điện: Tính toán công suất cần thiết $P_{ct} = 0{,}72\text{ kW}$ dựa trên hiệu suất xích ($\eta = 0{,}96$), đai ($\eta = 0{,}95$) và ổ lăn ($\eta = 0{,}99$). Chọn động cơ 4 cực tốc độ danh nghĩa 1400 vòng/phút, công suất danh định từ 0,6 đến 0,75 kW.
  • Phân phối tỷ số truyền: Tỷ số truyền toàn hệ thống $u_{ch} = 8{,}8$. Phân bổ cho cấp nhanh đai thang $u_1 = 3{,}0$ và cấp chậm đai thang $u_2 = 2{,}93$. Tốc độ trên trục I đạt 466,67 vòng/phút, trục II (trục băng tải) đạt 159,3 vòng/phút. Mô-men xoắn tương ứng: $T_{dc} = 4570{,}36\text{ Nmm}$, $T_1 = 13097{,}05\text{ Nmm}$, $T_2 = 35969{,}86\text{ Nmm}$.
  • Bộ truyền đai: Thiết kế 2 bộ truyền đai thang loại B (đai nhanh $d_1 = 100\text{ mm}$, $d_2 = 300\text{ mm}$, $a = 294\text{ mm}$, $L = 1250\text{ mm}$; đai chậm $d_1 = 120\text{ mm}$, $d_2 = 350\text{ mm}$, $a = 362{,}6\text{ mm}$, $L = 1500\text{ mm}$). Cả hai bộ truyền đều sử dụng 1 dây đai ($Z=1$), bánh đai rộng 34 mm.
  • Tính toán 3 trục: Chế tạo từ thép C45 tôi cải thiện ($\sigma_b = 600\text{ MPa}$). Xác định biểu đồ mô-men uốn và xoắn trên các mặt phẳng $Oyz$ và $Oxz$. Đường kính tính toán danh nghĩa chọn sơ bộ $d = 25\text{ mm}$; vị trí ngõng trục lắp gối ổ lăn giảm bậc xuống $d = 20\text{ mm}$. Kiểm tra mối ghép then bằng và kiểm nghiệm độ bền mỏi theo hệ số an toàn cho phép.

Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 6 trình bày phương án đóng cắt và bảo vệ mạch động lực cho động cơ điện kéo máy bóc vỏ hạt sen. Tác giả giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của mạch điều khiển động cơ, cơ cấu bảo vệ quá tải nhiệt và các nút bấm vận hành dừng/chạy cho người vận hành máy.

Chương 7: Chế tạo và lắp ráp máy

Chương 7 ghi nhận quá trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ kỹ thuật:

  • Gia công chế tạo khung bệ máy bằng thép hình nhằm đảm bảo độ cứng vững.
  • Gia công tiện các trục truyền động, con lăn tang dẫn băng tải và gia công phay rãnh then trên trục theo tiêu chuẩn.
  • Lắp đặt hệ thống gối đỡ ổ lăn, căn chỉnh khoảng cách trục và độ căng cho 2 cấp bộ truyền đai thang và cụm đĩa xích.
  • Lắp ráp cơ cấu băng tải cao su rộng 40 mm, bộ phận máng cấp liệu, cửa chặn định hướng và lưỡi dao cắt khía vỏ hạt sen.
  • Hoàn thiện mô hình máy bóc vỏ hạt sen thực tế sau gia công và lắp ráp.

Chương 8: Kết luận và tài liệu tham khảo

Đánh giá tổng kết các nội dung đã đạt được so với nhiệm vụ thiết kế ban đầu; liệt kê danh mục 6 tài liệu tham khảo chuyên ngành Chi tiết máy và Máy nâng chuyển được sử dụng trong suốt quá trình tính toán.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và chế tạo

  • Thiết lập hoàn chỉnh bộ thông số động học và động lực học cho hệ thống máy tách vỏ hạt sen với năng suất thiết kế đạt 25–30 kg/h, đáp ứng mục tiêu đề ra ban đầu.
  • Tính toán đầy đủ hệ thống truyền động 2 cấp đai thang B và 1 cấp xích, xác định rõ kích thước các bánh đai ($d_1 = 100\text{ mm}, d_2 = 300\text{ mm}$ cho cấp 1; $d_1 = 120\text{ mm}, d_2 = 350\text{ mm}$ cho cấp 2), lực căng đai, lực cản băng tải ($W = 22{,}5\text{ N}$) và phản lực gối đỡ ổ lăn trên 3 trục truyền động bằng thép C45.
  • Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm của cụm bóc vỏ hạt sen tại xưởng cơ khí, kiểm chứng khả năng vận hành đồng bộ giữa băng tải cao su bề rộng 40 mm và cơ cấu dao cắt khía rãnh vỏ.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

Tác giả đã đề xuất phương án công nghệ kết hợp: tạo rãnh cắt chu vi trên thân hạt bằng lưỡi dao tĩnh trong quá trình hạt lăn tịnh tiến, sau đó lợi dụng lực ma sát trượt tiếp tuyến giữa băng tải và thanh cán để bóc vỏ. Giải pháp này khắc phục được nhược điểm của các phương pháp cơ giới hóa truyền thống:

Tiêu chí so sánh Phương pháp thủ công Cơ giới hóa va đập Cơ giới hóa dao cắt từng hạt Đồ án đề xuất (Cắt rãnh + Ma sát)
Năng suất lao động 7 – 8 kg/8 giờ/người Lên tới 250 kg/h (râu đánh) Trung bình 25 – 30 kg/h (thiết kế)
Tỷ lệ vỡ/hư hỏng nhân 2% – 3% ~ 10% 20% – 30% Hạn chế vỡ nhờ chỉnh được lực ép
Độ nguyên vẹn nhân sen > 85% – 90% Bị xước, vỡ vụn Thấp Đảm bảo màu sắc và độ nguyên vẹn
Nhu cầu nhân công Rất cao, phụ thuộc tay nghề Thấp Trung bình Thấp, dễ cơ giới hóa
Khả năng tự động hóa Không có Dễ tự động hóa Khó đồng đều Dễ tích hợp dây chuyền

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phạm vi chế tạo: Do điều kiện kinh phí và thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, nhóm tác giả chỉ tập trung gia công chế tạo mô hình cụm bóc vỏ hạt sen để kiểm nghiệm nguyên lý cắt và lực ma sát, chưa hoàn thiện toàn bộ hệ thống cấp phôi tự động hoàn toàn ở quy mô công nghiệp.
  • Hệ thống điều khiển: Mạch điều khiển động cơ mới dừng lại ở mức đóng cắt cơ bản và bảo vệ động cơ thông thường, chưa tích hợp biến tần điều khiển vô cấp tốc độ động cơ để thích ứng linh hoạt với các cỡ hạt sen khác nhau.
  • Phân loại nguyên liệu: Máy yêu cầu khâu phân cỡ hạt sơ bộ trước khi nạp vào máng cấp phôi để tránh hiện tượng dao cắt quá sâu phạm vào nhân hoặc cắt chưa tới vỏ ngoài.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện bộ phận cấp phôi rung tự động để dàn đều hạt sen vào nhiều rãnh song song, nâng cao năng suất máy vượt ngưỡng 30 kg/h.
  • Tích hợp thêm cụm cơ cấu bóc vỏ lụa và cơ cấu thông tâm sen tự động ngay sau công đoạn bóc vỏ hạt để tạo thành dây chuyền chế biến khép kín.
  • Ứng dụng cảm biến đo lực hoặc cơ cấu lò xo tự lựa tại cụm cán dao để tự động điều chỉnh khe hở làm việc theo đường kính từng hạt sen.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Nông nghiệp: Cung cấp tài liệu mẫu chi tiết về các bước tính toán thiết kế máy chế biến nông sản thực phẩm từ khâu khảo sát nguyên lý, tính toán băng tải phẳng, tính toán động lực học hệ dẫn động (bộ truyền đai, xích, tính trục theo độ bền mỏi và chọn then, ổ lăn).
  • Kỹ sư và các cơ sở sản xuất máy chế biến nông sản: Có thể tham khảo nguyên lý cắt rãnh chu vi kết hợp chà ma sát để phát triển các dòng máy tách vỏ cứng cho các loại hạt nông sản có đặc tính mềm dai bên ngoài và giòn dễ vỡ bên trong.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Toàn bộ Chương 4 và Chương 5 với phương pháp tính toán giải tích chi tiết, đầy đủ bảng tra cứu hệ số kỹ thuật, biểu đồ mô-men uốn - xoắn của hệ thống 3 trục truyền động.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài không chọn phương pháp bóc vỏ kiểu va đập hay dùng máy cắt từng hạt có sẵn?

Văn bản nêu rõ nhân hạt sen rất giòn và chứa nhiều dầu, dễ bị vỡ vụn hoặc thâm vàng làm giảm giá trị thương phẩm. Phương pháp va đập cơ giới làm vỡ khoảng 10% nhân sen, trong khi phương pháp dùng dao cắt từng hạt gây vỡ tới 20–30% nhân. Phương pháp dùng râu đánh lò xo tuy đạt năng suất cao (250 kg/h) nhưng chỉ làm sạch vỏ lụa được 80–85% và tỷ lệ bể nhân vẫn ở mức 3–5%. Do đó, nhóm nghiên cứu chọn phương án cắt một rãnh chu vi rồi dùng ma sát trượt để bóc vỏ, giúp kiểm soát lực ép và hạn chế tối đa nguy cơ dập vỡ nhân sen.

2. Thông số thiết kế định mức của băng tải cấp liệu trong máy là bao nhiêu?

Theo tính toán tại Chương 4, băng tải có năng suất thiết kế từ 25 đến 30 kg/h. Bề rộng dòng vật liệu $b = 20\text{ mm}$, bề rộng băng tải tiêu chuẩn $B = 40\text{ mm}$, sử dụng băng bọc cao su với 3 lớp đệm vải bố ($i=3$), chiều dày lớp cao su có tải là 1,5 mm và lớp không tải là 1,0 mm. Lực kéo căng tại nhánh ra của tang là $S_4 = 2{,}94\text{ kG}$, lực kéo chung của băng tải $W = 2{,}25\text{ kG}$ ($22{,}5\text{ N}$) và lực tác dụng lên trục tang là $R_0 = 67{,}5\text{ N}$.

3. Động cơ điện và hệ thống truyền động nhiều cấp của máy được phân bổ như thế nào?

Hệ thống sử dụng động cơ điện 4 cực có tốc độ quay danh nghĩa 1400 vòng/phút, công suất tính toán yêu cầu là 0,72 kW (công suất trục động cơ chọn trong bảng tính là 0,6 kW). Tỷ số truyền chung của hệ thống là $u_{ch} = 8{,}8$, được phân phối qua hai cấp bộ truyền đai thang loại B: cấp nhanh có tỷ số truyền $u_1 = 3{,}0$ (giảm tốc độ xuống 466,67 vòng/phút tại trục I) và cấp chậm có tỷ số truyền $u_2 = 2{,}93$ (giảm tốc độ xuống 159,3 vòng/phút tại trục II để dẫn động tang băng tải). Truyền động đến trục III sử dụng bộ truyền xích với vận tốc $0{,}8\text{ m/s}$ và lực căng xích $787{,}5\text{ N}$.

4. Cả ba trục truyền động của máy được thiết kế từ vật liệu gì và đường kính ngõng trục bằng bao nhiêu?

Cả 3 trục truyền động (trục I, trục II dẫn động băng tải, và trục III) đều được tính toán chế tạo từ vật liệu thép C45 tôi cải thiện, có giới hạn bền kéo $\sigma_b = 600\text{ MPa}$ và ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 12 \div 20\text{ MPa}$. Đường kính sơ bộ của các trục được chọn là $d_1 = d_2 = d_3 = 25\text{ mm}$, sau đó tại các vị trí lắp gối đỡ ổ lăn, ngõng trục được hạ bậc xuống đường kính tiêu chuẩn $d = 20\text{ mm}$ để lắp ổ lăn đỡ chặn.

5. Hạt sen thu hoạch cần xử lý bóc vỏ trong thời gian bao lâu để không bị giảm phẩm chất?

Theo Chương 2, quả sen sau khi hái phải được tách hạt và đưa vào chế biến ngay trong vòng 24 đến 36 giờ vì phần quả và hạt rất dễ bị lên men, thối rữa. Nếu để hạt bị ẩm hoặc bảo quản không đúng cách, nhân sen sẽ chuyển từ màu trắng sang màu vàng, làm giá trị xuất khẩu của sản phẩm giảm sút từ 20% đến 30% so với nhân sen trắng cùng tiêu chuẩn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả ngành Cơ khí Chế tạo máy (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán cơ học và thiết kế hệ thống máy bóc vỏ hạt sen năng suất 25–30 kg/h nhằm thay thế phương pháp bóc vỏ thủ công năng suất thấp. Đề tài đã xây dựng cơ sở lý thuyết chuẩn xác cho hệ thống băng tải và hệ thống truyền động 2 cấp đai thang, tính toán kết cấu 3 trục truyền động bằng thép C45 đảm bảo độ bền mỏi và an toàn chịu tải. Mô hình máy thực tế được chế tạo và lắp ráp thành công đã kiểm chứng tính khả thi của nguyên lý cắt rãnh chu vi kết hợp chà ma sát, mở ra giải pháp cơ giới hóa hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng nhân sen xuất khẩu.