TÓM TẮT
Bài báo trình bày quá trình nghiên cứu, tính toán và thiết kế máy bóc vỏ xanh quả mắc ca với năng suất 500 kg/giờ nhằm đáp ứng nhu cầu cơ giới hóa khâu sơ chế sau thu hoạch mắc ca. Nghiên cứu dựa trên các nguyên lý phá vỡ cấu trúc lớp vỏ xanh thông qua lực ma sát và nén ép. Bằng việc khảo sát các thông số cơ lý của quả mắc ca, lựa chọn cấu tạo hợp lý cho cụm bóc vỏ và tối ưu hóa các thông số vận hành như tốc độ trục, lực ép và kích thước khe hở, máy được thiết kế với khả năng bóc sạch trên 95%, tỉ lệ tổn thất nhỏ hơn 2% và dễ dàng bảo trì. Bài báo bao gồm phân tích nguyên lý làm việc, tính toán các bộ phận chính, mô phỏng sơ đồ kết cấu và đề xuất hướng hoàn thiện, kiểm nghiệm thực tế trong tương lai.
Từ khóa: Mắc ca, bóc vỏ xanh, thiết kế máy.
RESEARCH ON SOME MAIN PARAMETERS OF MACADAMIA GREEN PEELING MACHINE
ABSTRACT
The article introduces the research, calculation, and design of a green husk peeling machine for macadamia nuts with a capacity of 500 kg/hour, aiming to meet the mechanization needs of post-harvest processing. The article is based on principles of breaking the structure of the green husk through friction and compression forces. By analyzing the physical and mechanical properties of macadamia nuts, selecting an appropriate structure for the peeling unit, and optimizing operational parameters such as shaft speed, pressing force, and clearance size, the machine is designed to achieve over 95% peeling efficiency, with a loss rate of less than 2%, and easy maintenance. The article includes an analysis of the working principles, calculations of the main components, a structural diagram simulation, and proposes directions for future completion and practical testing.
Keywords: Macadamia, green husk peeling, machine design.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngành công nghiệp sơ chế và bảo quản hạt mắc ca trên thế giới đang phát triển nhanh chóng. Trong 15 năm qua (2010–2024), sản lượng nhân sơ chế đã tăng từ 27.894 tấn lên 91.800 tấn. Nhu cầu tiêu thụ nhân mắc ca dự báo tiếp tục tăng mạnh, do hiện tại mắc ca chỉ chiếm khoảng 1% trong tổng lượng tiêu thụ các loại hạt toàn cầu. Dự kiến đến năm 2030, nguồn cung mắc ca toàn cầu mới chỉ đáp ứng được khoảng 50% nhu cầu thị trường (INC, 2024) [1].
Tính đến năm 2024, Việt Nam có 28 tỉnh trồng mắc ca với khoảng 20.000 ha, sản lượng đạt gần 9.000 tấn hạt tươi – tăng gấp 34 lần so với năm 2015. Việc phát triển mắc ca mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt, nhất là tại vùng Tây Nguyên và Tây Bắc. Tuy nhiên, một trong những khó khăn lớn hiện nay là quá trình sơ chế sau thu hoạch, ngành công nghiệp hạt mắc mắc ca trong nước bắt đầu muộn, thiếu máy móc thiết bị trong các công đoạn chế biến. Công đoạn bóc và tách vỏ xanh hầu như được thực hiện bằng tay hoặc máy móc thô sơ không đảm bảo năng suất, làm tăng tỷ lệ hư hỏng nhân và gây lãng phí đồng thời ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Hiện nay, hầu hết các máy bóc vỏ xanh đều áp dụng quy trình phân loại rồi mới thực hiện bóc vỏ xanh, chỉ có thể bóc những quả có cùng đường kính hoặc đường kính chênh lệch nhỏ sau phân loại.
Trước những nhược điểm còn tồn tại như trên cũng như tính đến đặc điểm cấu tạo quả mắc ca, phạm vi đường kính quả và độ bền cơ học của lớp vỏ xanh. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị đồng bộ để sơ chế và bảo quản hạt mắc ca tại Đăk Nông và vùng Tây Nguyên” đã thực hiện nghiên cứu, thiết kế máy bóc vỏ xanh quả mắc ca áp dụng nguyên lý “ép + lăn” để có thể bóc được các quả mắc ca có đường kính khác nhau đồng thời có thể tự động hóa, mở rộng năng suất và tích hợp vào dây chuyển đồng bộ sơ chế bảo quản hạt mắc ca.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
2.1. Đặc điểm và cấu tạo quả mắc ca sau khi thu hoạch
Quả mắc ca thường có dạng hình cầu có núm lồi, màu xanh, khi chín vỏ quả chuyển từ xanh sang nâu và vỏ quả tự nứt theo chiều từ núm lồi tới cuống quả. Đường kính trung bình quả từ 20 ÷ 45 mm tùy thuộc vào giống và điều kiện chăm sóc. Do lớp vỏ quả mắc ca chứa nhiều dầu nên sau thu hoạch, quả mắc ca cần được sơ chế nhanh để tránh lên men, nấm mốc ảnh hưởng tới chất lượng nhân mắc ca. Cấu tạo quả mắc ca gồm ba lớp chính: Lớp vỏ xanh bên ngoài cùng, lớp vỏ cứng bên trong và nhân mắc ca trong cùng như Hình 1
Hình 1. Đặc điểm và cấu tạo quả mắc ca sau khi thu hoạch
1- Lớp vỏ xanh; 2- Lớp vỏ cứng; 3- Nhân Mắc ca
Hiểu rõ về đặc tính và cấu tạo quả mắc ca sau khi thu hoạch là cơ sở để nghiên cứu, thiết kế máy. Những thông số như kích thước quả, độ dày lớp vỏ xanh và lực ép cần thiết để bóc lớp vỏ xanh ra khỏi hạt là các thông số cần thiết phục vụ cho việc lựa chọn, tính toán thiết kế máy bóc vỏ xanh quả mắc ca. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện lấy mẫu tại 3 địa điểm ngẫu nhiên tại tỉnh Đăk Nông, Đăk Lắc thực hiện đo, kiểm tra các thông số quả mắc ca
Hình 2. Một số hình ảnh quá trình đo, kiểm tra thông số cấu tạo quả mắc ca
1. Đo kiểm tra thông số cấu tạo quả mắc ca
- Phương pháp đo: Lấy 3 mẫu ngẫu nhiên tại 3 địa điểm thu hoạch mắc ca mỗi mẫu 1 kg, trong mỗi mẫu chọn ngẫu nhiên 10 quả. Sử dụng thước kẹp, cân điện tử đo, cân khối lượng các thành phần của từng quả và ghi chép vào bảng kết quả.
- Kết quả đo các thông số cấu tạo của quả mắc ca được thể hiện trong bảng 1, 2, 3.
Bảng 1. Thông số cấu tạo quả mắc ca sau thu hoạch- tại Xã Phú Lộc, Huyện Krông Năng, tỉnh Đắk Lắk – Giống OC – Vụ tháng 9, năm 2024.
|
Lần thử |
Quả mắc ca tươi |
Lớp vỏ xanh |
Hạt mắc ca |
|||
|
Đường kính |
Khối lượng |
Chiều dày |
Khối lượng |
Đường kính |
Khối lượng |
|
|
1 |
20,04 |
16,52 |
3,65 |
8,98 |
16,17 |
7,76 |
|
2 |
33,59 |
23,63 |
5,56 |
13,42 |
24,64 |
10,32 |
|
3 |
36,70 |
27,07 |
4,39 |
13,38 |
29,78 |
13,72 |
|
4 |
31,32 |
17,51 |
4,96 |
9,42 |
24,11 |
8,12 |
|
5 |
34,78 |
25,94 |
3,94 |
12,02 |
29,09 |
13,78 |
|
6 |
35,19 |
26,25 |
5,95 |
13,86 |
28,22 |
12,35 |
|
7 |
34,88 |
25,69 |
6,42 |
14,10 |
25,99 |
11,52 |
|
8 |
34,36 |
24,71 |
4,58 |
12,76 |
27,62 |
11,74 |
|
9 |
38,28 |
29,71 |
3,87 |
14,72 |
31,08 |
14,86 |
|
10 |
35,04 |
22,34 |
4,58 |
12,20 |
27,21 |
10,11 |
Bảng 2. Thông số cấu tạo quả mắc ca sau thu hoạch- tại xã Quảng Trực, huyện Tuy Đức, tỉnh Đắk Nông – Giống OC – Vụ tháng 10, năm 2024.
|
Lần thử |
Quả mắc ca tươi |
Lớp vỏ xanh |
Hạt mắc ca |
|||
|
Đường kính |
Khối lượng |
Chiều dày |
Khối lượng |
Đường kính |
Khối lượng |
|
|
1 |
34,33 |
26,31 |
4,13 |
14,61 |
27,34 |
12,48 |
|
2 |
33,15 |
21,58 |
4,35 |
11,16 |
26,78 |
10,33 |
|
3 |
33,43 |
22,11 |
4,08 |
12,1 |
25,28 |
9,92 |
|
4 |
34,21 |
20,96 |
4,74 |
11,48 |
25,75 |
9,4 |
|
5 |
32,6 |
20,21 |
4,54 |
11,04 |
24,6 |
9,11 |
|
6 |
32,66 |
18,07 |
4,1 |
8,6 |
24,68 |
9,4 |
|
7 |
34,34 |
21,47 |
4,69 |
13,06 |
24,02 |
8,38 |
|
8 |
33,31 |
21,42 |
4,21 |
11,54 |
25,87 |
9,82 |
|
9 |
33,59 |
20,84 |
4,8 |
12,11 |
24,91 |
8,69 |
|
10 |
34,3 |
24,52 |
4,05 |
11,92 |
27,86 |
12,45 |
Bảng 3. Thông số cấu tạo quả mắc ca sau thu hoạch- tại xã Thuận Hà, huyện Đắk Song, tỉnh Đắk Nông – Giống A38 – Vụ tháng 10, năm 2024.
|
Mẫu thử |
Quả mắc ca tươi |
Lớp vỏ xanh |
Hạt mắc ca |
|||
|
Đường kính |
Khối lượng |
Chiều dày |
Khối lượng |
Đường kính |
Khối lượng |
|
|
1 |
38,38 |
28,35 |
4,58 |
13,98 |
31,12 |
14,33 |
|
2 |
40,01 |
31,04 |
4,04 |
15,38 |
32,47 |
15,52 |
|
3 |
34,8 |
22,38 |
4,39 |
12,05 |
27,03 |
10,26 |
|
4 |
35,1 |
21,77 |
5,01 |
12,65 |
26,03 |
9,08 |
|
5 |
45,01 |
33,68 |
5,75 |
17,38 |
34,95 |
16,16 |
|
6 |
36,34 |
27,1 |
4,11 |
12,56 |
30,39 |
14,4 |
|
7 |
36,77 |
27,43 |
6,21 |
14,48 |
29,48 |
12,9 |
|
8 |
36,44 |
26,84 |
6,7 |
14,73 |
27,15 |
12,03 |
|
9 |
40,03 |
31,12 |
4,19 |
14,26 |
33,12 |
15,45 |
|
10 |
39,35 |
28,28 |
4,58 |
13,98 |
31,12 |
14,33 |
2. Đo khối lượng riêng quả và hạt mắc ca
- Phương pháp đo: Lấy 3 mẫu ngẫu nhiên tại 3 địa điểm thu hoạch mỗi mẫu 5 kg, trong mỗi mẫu lấy ngẫu nhiên 3 lần mỗi lần khoảng 1 kg quả mắc ca. Sử dụng bình đong dung tích 5 lít có vạch chia 1 ml, đổ nước vào bình đong ở mức 2 lít tiếp đó đổ quả mắc ca vào bình đong và kiểm tra thể tích nước dâng lên và ghi chép số liệu vào bảng kết quả. Sau khi xác định được khối lượng riêng quả mắc ca tươi thực hiện bóc lớp vỏ bên ngoài và kiểm tra khối lượng riêng của hạt mắc ca tương tự.
Trong đó:
m – Khối lượng quả, hạt mắc ca đổ vào bình đong
V – Thể tích nước dâng lên
- Kết quả đo khối lượng riêng quả và hạt mắc ca được thể hiện trong bảng 4, 5, 6.
Bảng 4. Kết quả đo khối lượng riêng quả và hạt mắc ca- tại Xã Phú Lộc, Huyện Krông Năng, tỉnh Đắk Lắk – Giống OC – Vụ tháng 9, năm 2024.
|
Lần thử |
Quả mắc ca tươi |
Hạt mắc ca |
||||
|
Khối lượng quả mắc cả |
Thể tích nước |
Khối lượng riêng |
Khối lượng hạt mắc cả kg |
Thể tích nước |
Khối lượng riêng |
|
|
1 |
1,050 |
1,100 |
954,55 |
0,536 |
0,487 |
1100,62 |
|
2 |
1,100 |
1,160 |
948,28 |
0,542 |
0,502 |
1079,68 |
|
3 |
1,030 |
1,100 |
936,36 |
0,518 |
0,491 |
1054,99 |
|
TB |
|
|
946,39 |
|
|
1078,43 |
Bảng 5. Kết quả đo khối lượng riêng quả và hạt mắc ca- tại xã Quảng Trực, huyện Tuy Đức, tỉnh Đắk Nông – Giống OC – Vụ tháng 10, năm 2024.
|
Lần thử |
Quả mắc ca tươi |
Hạt mắc ca |
||||
|
Khối lượng quả mắc cả |
Thể tích nước |
Khối lượng riêng |
Khối lượng hạt mắc cả kg |
Thể tích nước |
Khối lượng riêng |
|
|
1 |
1,030 |
1,010 |
1019,80 |
0,510 |
0,465 |
1096,77 |
|
2 |
1,050 |
1,010 |
1039,60 |
0,504 |
0,470 |
1072,34 |
|
3 |
1,010 |
0,990 |
1020,20 |
0,505 |
0,465 |
1086,02 |
|
TB |
|
|
1026,54 |
|
|
1085,05 |
Bảng 6. Kết quả đo khối lượng riêng quả và hạt mắc ca- tại xã Thuận Hà, huyện Đắk Song, tỉnh Đắk Nông – Giống A38 – Vụ tháng 10, năm 2024.
|
Lần thử |
Quả mắc ca tươi |
Hạt mắc ca |
||||
|
Khối lượng quả mắc cả |
Thể tích nước |
Khối lượng riêng |
Khối lượng hạt mắc cả kg |
Thể tích nước |
Khối lượng riêng |
|
|
1 |
1,110 |
1,010 |
1099,01 |
0,543 |
0,458 |
1185,59 |
|
2 |
1,080 |
1,020 |
1058,82 |
0,528 |
0,455 |
1160,44 |
|
3 |
1,050 |
1,010 |
1039,60 |
0,519 |
0,447 |
1161,07 |
|
TB |
|
|
1065,81 |
|
|
1169,03 |
3. Xác định lực ép làm vỡ lớp vỏ xanh
- Phương pháp đo: Sử dụng máy ép có lắp cảm biến lực được kết nối với bộ sử lý dữ liệu và máy tính để hiển thị và lưu trữ số liệu trong quá trình đo. Lấy 5 mẫu quả mắc ca ngẫu nhiên tại 3 địa điểm thu hoạch. Đặt tững mẫu quả mắc ca vào máy ép, thực hiện ép quả cho đến khi quả bị vỡ lớp vỏ xanh thì dừng. Quá trình ép được lưu trữ số liệu trên bộ sử lý dữ liệu và xuất thành file kết quả trên máy tính.
- Kết quả đo lực ép làm vỡ lớp vỏ xanh được thể hiện trong bảng 7, 8, 9.
Bảng 7. Kết quả đo lực ép làm vỡ lớp vỏ xanh quả mắc ca- tại Xã Phú Lộc, Huyện Krông Năng, tỉnh Đắk Lắk – Giống OC – Vụ tháng 9, năm 2024.
|
Lần thử |
Đường kính quả |
Chiều dày vỏ (mm) |
Lưc ép làm vỡ lớp vỏ xanh (N) |
|
|
1 |
31,27 |
4,65 |
658,0 |
|
|
2 |
33,65 |
5,56 |
712,3 |
|
|
3 |
36,74 |
4,97 |
700,4 |
|
|
4 |
31,39 |
4,35 |
657,4 |
|
|
5 |
34,81 |
5,08 |
750,0 |
|
Bảng 8. Kết quả đo lực ép làm vỡ lớp vỏ xanh quả mắc ca- tại xã Quảng Trực, huyện Tuy Đức, tỉnh Đắk Nông – Giống OC – Vụ tháng 10, năm 2024.
|
Lần thử |
Đường kính quả |
Chiều dày vỏ (mm) |
Lưc ép làm vỡ lớp vỏ xanh (N) |
|
|
1 |
35,28 |
5,95 |
681,5 |
|
|
2 |
34,91 |
6,42 |
741,7 |
|
|
3 |
34,45 |
4,58 |
718,9 |
|
|
4 |
38,33 |
3,87 |
647,6 |
|
|
5 |
35,04 |
4,58 |
601,1 |
|
Bảng 9. Kết quả đo lực ép làm vỡ lớp vỏ xanh quả mắc ca- tại xã Thuận Hà, huyện Đắk Song, tỉnh Đắk Nông – Giống A38 – Vụ tháng 10, năm 2024.
|
Lần thử |
Đường kính quả |
Chiều dày vỏ (mm) |
Lưc ép làm vỡ lớp vỏ xanh (N) |
|
|
1 |
35,28 |
5,95 |
681,5 |
|
|
2 |
34,91 |
6,42 |
741,7 |
|
|
3 |
34,45 |
4,58 |
718,9 |
|
|
4 |
38,33 |
3,87 |
647,6 |
|
|
5 |
35,04 |
4,58 |
601,1 |
|
Qua việc thí nghiệm, đo đạc quả mắc ca sau khi thu hoạch được kết quả như sau:
- Đường kính quả mắc ca sau thu hoạch: 20 ÷ 45 cm;
- Khối lương riêng của quả mắc ca sau thu hoạch: 946 ÷ 1065 kg/m3
- Khối lương riêng của hạt mắc ca sau khi bóc vỏ xanh: 946 ÷ 1065 kg/m3
- Lực ép lớn nhất để làm vỡ lớp vỏ xanh: 750 N
2.2. Xác định quy trình làm việc và nguyên lý hoạt động cho máy
2.2.1. Quy trình bóc vỏ xanh quả mắc ca
Việc tính toán, lựa chọn và thiết kế máy bóc vỏ xanh phải được căn cứ trên quy trình làm việc, các bước thực hiện từ nguyên liệu đầu vào và đạt đến thành phẩm. Quy trình bóc vỏ xanh quả mắc ca được thể hiện theo các bước trong hình 3.
Hình 3. Quy trình bóc vỏ xanh quả mắc ca
2.2.2. Lựa chọn nguyên lý hoạt động
Theo các nghiên cứu về công nghệ bóc vỏ xanh quả mắc ca có thể thấy nguyên lý bóc lớp vỏ xanh có 2 dạng chính là: Nguyên lý tạo ngoại lực lên lớp vỏ để vỏ bị gãy vỡ và nguyên lý ma sát cọ sát bề mặt lớp vỏ với với một bề mặt cứng.
Hình 4. Một số nguyên lý bóc vỏ xanh quả Mắc ca.
Thực trang về sử dụng máy bóc vỏ xanh thời điểm hiện tại cho thấy rằng các máy bóc vỏ xanh hiện tại đều sử dụng nguyên lý tạo ngoại lực lên lớp vỏ xanh quả tuy nhiên cấu tạo máy được phân thành 2 dạng chính đó là máy sử dụng nguyên lý trục đập (hình 5), và máy sử dụng lò xo ép và trục vít (hình 6).
Hình 5. Nguyên lý máy bóc vỏ xanh sử nguyên lý trục đập
Nguyên lý hoạt động máy sử dụng trục đập (Hình 5) hoạt động như sau: Nguyên liệu quả mắc ca được đổ vào phếu nạp nguyên liệu (1) được dẫn hướng đến trục đập (2), trục đập được động cơ (3) và bộ truyền động (7) tạo mô men quay để tạo lực đập lên vỏ xanh quả Mắc ca. Sau đập và tách được lớp vỏ xanh và hạt Mắc ca sẽ được dẫn hướng đến sàng lắc (4) để phân loại, loại bỏ lớp vỏ xanh.
Hình 6. Nguyên lý máy bóc vỏ xanh sử dụng lò xo ép và trục vít
Nguyên lý hoạt động của bộ phận bóc vỏ xanh như (Hình 6) hoạt động như sau: Quả mắc được đổ vào phễu cấp để cấp liệu xuống trục bóc từ đó trục bóc sẽ đưa quả mắc ca trải đều qua dàn lò xo ép làm vỡ lớp vỏ xanh. Vỏ xanh sẽ dơi xuống phễu chưa vỏ còn hạt mắc ca sẽ được trục vít chuyển tới máng ra cấp vào bộ phận làm sạch.
Nhận xét, đánh giá: Từ việc khảo sát và nghiên cứu nguyên lý bóc vỏ xanh cho quả Mắc ca, nhóm thực hiện đề tài đã đưa ra một số kết luận như sau: Máy bóc vỏ xanh sử dụng nguyên lý trục đập có năng suất lớn hơn tuy nhiên quả mắc ca chỉ đi qua trống đập 1 lần để tách lớp vỏ nên tỉ lệ bị sót, bám dính lớp vỏ trên quả còn cao, máy sử dụng nguyên lý lò xo, trục ép sẽ sạch lớp vỏ hơn vì sẽ được ép nhiều lần, tuy nhiên năng suất sẽ nhỏ hơn vì tốc độ vận chuyển hạt sẽ nhỏ hơn.
2.3. Tính toán một số thông số chính cho máy
Từ các phân tích về một số nguyên lý hoạt động và đánh giá ưu nhược điểm nhóm nghiên cứu lựa chọn nguyên lý cho máy bóc vỏ xanh theo nguyên lý lò xo ép và trục vít cấu tạo như (Hình 7)
1. Phễu nạp nguyên liệu; 2. Dàn lò xo ép; 3. Máng hứng; 4. Trục vít;
5. Khung máy; 6. Thùng chứa vỏ; 7. Động cơ; 8. Bộ truyền động
Hình 7. Máy bóc vỏ xanh nguyên lý lò xo ép và trục vít
Hoạt động như sau: Nguyên liệu quả mắc ca được cấp vào phêu cấp liệu (1) từ phễu cấp liệu quả mắc ca được dẫn hướng đến trục vít (4) trục vít sẽ vận chuyển các quả mắc ca đi qua dàn lò xo ép (2), trên dàn lò xo ép được bố trí nhiều lò xo có thể điều chỉnh được lực ép bằng cơ cấu đai ốc đảm bảo tạo lực ép phù hợp lên quả Mắc ca khi đi qua. Sau khi tách lớp vỏ hạt mắc ca được trục vít vận chuyển tới máng hứng (3) còn lớp vỏ sẽ được dơi xuống thùng chứa (6). Trục vít được tạo mô men quay từ động cơ (7) và bộ truyền động (8).
Các thông số chính của máy bóc vỏ xanh được tính toán như sau:
2.3.1. Tính toán trục bóc
Trục bóc vừa là bộ phận vận chuyển quả mắc ca vừa là bộ phận ép lớp vỏ xanh do đó việc tính toán, lựa chọn trục bóc phù hợp sẽ ảnh hưởng tới năng suất của máy và độ sạch của hạt sau khi bóc vỏ. Cấu tạo của trục bóc như Hình 8.
Hình 8. Cấu tạo trục bóc
1. Vòng bi; 2. Trục; 3. Cánh vít
Theo tài liệu tính toán trục vít, năng suất trục bóc được tính theo công thức:
Trong đó
Q: năng suất vận chuyển, kg/h
D: đường kính cánh vít, m
d: đường kính trục vít, m
n: số vòng quay trục vít, vòng/phút
ρ: khối lượng riêng của vật liệu, kg/m3
ψ: hệ số điền đầy.
S: bước vít, m.
Để lựa chọn các thông số của trục bóc nhóm nghiên cứu căn cứ vào các chuẩn ΓOTC 2037-65- Tiêu chuẩn về đường kính và bước vít. các thông số lựa chọn sơ bộ như sau:
d = 0,078 m; D = 0,086 m; n = 60 Vòng/phút; S = 0,06 m; ρ = 680 kg/m3; ψ = 0,1 (tỉ lệ chiếm chỗ của quả mắc ca trên tiết diện làm việc của cánh vít)
Thay vào công thức (1) tính được
Q = 15,1 kg/phút = 908 kg/giờ;
Như vậy thông số trục bóc lựa chọn là phù hợp, có thể điều chỉnh năng suất của bộ phận bóc bằng cách lắp biến tần thay đổi tốc độ quay của trục.
2.3.2. Tính toán lò xo ép
Khi quả mắc ca đi qua lò xo ép sự thay đổi áp lực từ lò xo lên các quả có đường kính khác nhau phải nằm trong phạm vi thích hợp để đảm bảo hiệu quả bóc vỏ mà không làm tổn hại lên hạt mắc ca
Hình 9. Sơ đồ lực ép từ lò xo lên quả mắc ca.
* Các yêu cầu đối với lò xo ép quả mắc ca như sau:
- Lực ép để vỡ quả Fmax = 750 N (theo bảng 7, 8, 9)
- Chuyển vị làm việc của lò xo: x = h1 + h2
Trong đó:
h1: chiều cao thay đổi của quả mắc ca:
h1 = Rmax - Rmin = 22,5 – 10 = 12,5 (mm)
+ Rmax : bán kính quả mắc ca lớn nhất, Rmax = 45/2 = 22,5 mm
+ Rmin : bán kính quả mắc ca nhỏ nhất, Rmin = 20/2 = 10 mm
h2: khe hở từ đỉnh trục bóc tới tấm chắn do trong quá trình làm việc quả mắc ca luôn có xu hướng bị kéo ra tấm chắn; chọn h2 = 10 mm
- Từ đó xác định được chuyển vị làm việc của lò xo: x = 22,5 (mm)
- Tính toán các thông số của lò xo
+ Chọn vật liệu cho lò xo là thép 45 từ tài liệu [2], [3] tra được cơ tính của lò xo có σb = 1700 Mpa; τb = 1350 Mpa; với tải trọng ổn định [τ] = 0,5σb = 850 Mpa
+ Chuyển vị làm việc của lò xo x = 22,5 mm
theo dãy số chiêu chuẩn của đường kính dây lò xo chọn d = 3,5 mm
+ Tính đường kính trung bình của lò xo: Dtb = d.c = 3,5.5 = 17,5 mm
+ Tính đường kính ngoài của lò xo: Dn = Dtb + d = 21 mm
+ Tính số vòng làm việc của lò xo:
Trong đó:
x- chuyển vị làm việc của lò xo; x = 22,5 mm
G- Mô đun đàn hồi của lò xo, với vật liệu thép; G = 8.104 Mpa
d- đường kính dây lò x; d = 3,5 mm
Thay số tính được n = 8,4 vòng, chọn n = 9 vòng
Từ đó tính được bước của vòng lò xo là: p = 9 + 1,2*9,04/9 = 4,7 mm
2.3.3. Tính động cơ cho bộ phận bóc vỏ xanh
Để tính toán công suất động cơ cần phân tích các yếu tố lực tác động lên bộ phận làm việc, các bộ phận làm việc sẽ bao gồm trục bóc, các gối đỡ và bộ truyền động. Phân tích lực tác động lên trục bóc được thể hiện như hình 10
Hình 10. Lực tác động lên trục bóc
Công suất trục động cơ được tính như sau:
Trong đó:
F: tổng lực kéo trên trục bóc; N
n: số vòng quay của trục vít; n = 60 vòng/ph
D: đường kính trục vít; D = 0,086 m
v: vận tốc trục bóc; m/s; theo (4) v = 0,27 m/s
Để máy có thể làm việc được thì F ≥ FC
FC: tổng lực cản lên trục bóc
Từ sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy bóc vỏ xanh và phân tích lực tác động lên trục bóc vỏ xanh (Hình 8) có thể thấy rằng lực cản tác động lên trục vít là tổng lực ma sát gây ra trong quá trình lò xo ép quả và lực ma sát của trọng lượng quả và hạt trong quá trình vận chuyển. Với chiều dài trục vít lựa chọn là 1200 mm, kích thước bước vít là 60 mm. Mỗi bước vít sẽ chứa 1 quả mắc ca bị ép trong quá trình làm việc do đó số quả mắc ca đồng thời bị ép là 20 quả.
Tổng lực ma sát lên trục sẽ có giá trị là:
Fms = 20fMs1 + fMs2 (5)
Trong đó
fMs1: là lực ma sát lên quả mắc được tạo ra từ lò xo ép quả mắc ca lên trục.
fMs2: là lực ma sát từ bản thân trọng lượng hạt và vỏ quả ca trong quá trình chuyển động
fMs1 = F.µ
fMs2 = G.µ
F: lực ép làm vỡ quả; F = 750 N
µ: Hệ số ma sát giữa quả mắc ca với trục, chọn µ = 0,2 (chọn hệ số ma sát là hệ số ma sát giữa vật liệu thép và gỗ µ = 0,2 ÷ 0,6)
G: Trọng lượng toàn bộ quả và vỏ mắc ca trên trục. G = 20*27*9,8 = 5,3 N
Thay vào (5) tính được Fc = 20*750*0,2 + 5,4*0,2 = 3005 N
Với máy bóc vỏ xanh sẽ lựa chọn sử dụng 2 trục bóc (để mở rộng năng suất khi cần thiết) do đó tổng lực cản tác dụng lên trục là: FC = 2*Fms = 2*3005= 6010 N
Thay vào (3) tính được công suất trên trục bóc là:
Thay vào (2) tính được công suất trên trục động cơ là:
Từ đó tính công suất động cơ: Pđc = k.Ptđc;
k là hệ số quá tải khi khởi động hoặc bộ phận làm việc bị ket; chọn k = 1,5
từ đó tính được công suất động cơ: Pđc = 2,55 kW
Theo catalog động cơ một số hãng đang cung cấp trên thị trường sẽ chọn động cơ liền hộp giảm tốc với thông số: P = 3 kW; n = 60 vòng/ph.
2.4. Mô phỏng, thiết kế tổng thể máy bóc vỏ xanh
Trên cơ sở nghiên cưu tính toán các thông số chính cho máy bóc vỏ xanh quả mắc ca nhóm nghiên cứu đã thiết kế, mô phỏng 3D máy bóc vỏ xanh như hình 11, 12.
Hình 11. Thiết kế tổng thể máy bóc vỏ xanh
1- Khung đỡ máy; 2- Bộ phận nạp liệu; 3- Bộ phận bóc vỏ xanh; 4- Bộ phận sàng làm sạch hạt sau khi bóc vỏ xanh; 5- Bộ phận truyền động máy bóc vỏ xanh;
Hình 12. Thiết kế mô hình 3D máy bóc vỏ xanh
3. KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu đã xác định được các thông số chính cho máy bóc vỏ xanh quả mắc ca như bảng 10
Bảng 10. Các thông số kỹ thuật chính máy bóc vỏ xanh
|
Stt |
Thông số |
Giá trị |
Ghi chú |
|
1 |
Năng suất máy, kg/giờ |
500 |
|
|
2 |
Độ sạch hạt sau bóc vỏ, % |
≥ 95 |
|
|
3 |
Kích thước tổng thể máy |
|
|
|
3.1 |
Chiều dài máy, m |
3,96 |
|
|
3.2 |
Chiều rộng máy, m |
1,3 |
|
|
3.3 |
Chiều cao máy, m |
2,215 |
|
|
4 |
Động cơ |
|
|
|
4.1 |
Công suất, kW |
3,0 |
|
|
4.2 |
Điện áp, vôn |
220 |
|
|
5 |
Trục bóc |
|
|
|
5.1 |
Đường kính trục, mm |
86 |
|
|
5.2 |
Chiều dài trục, mm |
1200 |
|
|
6 |
Nguyên liệu cấp |
Quả mắc ca tươi |
|
|
6.1 |
Kích thước quả mắc ca, mm |
20 - 40 |
|
Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho việc thiết kế máy bóc vỏ xanh mắc ca theo nguyên lý ép – ma sát trục quay, đạt năng suất 500 kg/giờ. Thông qua việc khảo sát đặc tính cơ lý của quả, tính toán các thông số vận hành, lựa chọn kết cấu phù hợp, thiết bị cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế cao với hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tốt. Đây là bước đầu tiên trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy bóc vỏ xanh.
Hướng phát triển tiếp theo sẽ chế tạo thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá hiệu suất, chất lượng sản phẩm sau khi bóc vỏ từ đó hoàn thiện máy bóc vỏ xanh tối ưu trong sản xuất và tích hợp tự động hóa vào dây chuyền sơ chế bảo quản hạt mắc ca theo mục tiêu của đề tài đặt ra.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] – Báo cáo thông kê của hiệp hội hạt và quả khô thế giới (INC)- 2024 trang web: https://www.nutfruit.org/industry;
[2] – Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy, NXB Giáo Dục, Hà Nội, 2007
[3] – Nguyễn Đắc Lộc, Sổ tay công nghệ chế tạo máy - tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật,Hà Nội, 2010
[4]- PGS. TS. Trần Nhu Khuyên, Giáo trình máy nâng chuyển – NXB Nông nghiệp, Hà Nội, 2010
[5]- Tiêu chuẩn ΓOTC 2037-65, Tiêu chuẩn về đường kính và bước vít.
[6] - D.M. Kinch; J. K. Wanc; R. E. Strohman, Equipment for Husking macadamia nuts, Hawaii Agricultural expreriment station university of Hawaii, 1961;
[7]. Warangkana Srichamnong. Effects of Postharvest Treatments on Macadamia Nut Quality. The University of New South Wales in fulfillment 2012;
[8]. R.H. Moltzau and J.C. Ripperton, Processing of the macadamia, University of Hawaii, 1939;
[9]. Sáng chế số: CN 101313773 B về máy bóc vỏ xanh hạt Mắc ca do nước Trung Quốc cấp chứng nhận sáng chế ngày 15/12/2010
Ngày nhận bài: 26/7/2025