Trong nghiên cứu này, một máy cắt vỏ cứng trái ca cao dựa trên nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa và ru lô dẫn hướng được phát triển.. Mục đích là để cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc mà kh
Trang 1NGHIÊN C ỨU PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY C ẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
RESEARCHING DESIGN DEVELOPMENT AND MANUFACTURING
THE COCOA POD CUTTING MACHINE
Đặng Minh Phụng 1a , Nguy ễn Đăng Khoa 1b , Trương Nguyễn Luân Vũ 1c , Lê Minh Tu ấn 1d
1 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
a phungdm@hcmute.edu.vn; b dangkhoackm09@gmail.com
c
vuluantn@hcmute.edu.vn; d tuanleminh2909@gmail.com
TÓM T ẮT
Ngày nay, các sản phẩm từ hạt ca cao như: sô cô la, bột ca cao,… được sử dụng rất phổ
biến trên toàn thế giới Trong quy trình chế biến hạt ca cao, cắt vỏ cứng trái ca cao là công đoạn chiếm rất nhiều thời gian và sức lao động Tuy nhiên, việc cắt vỏ cứng trái ca cao ở Việt Nam thường được thực hiện bằng tay cho nên năng suất thấp và có thể xảy ra tai nạn lao động Bên cạnh đó, các máy cắt vỏ cứng trái ca cao có trên thị trường còn tồn tại nhiều hạn
chế như: năng suất thấp, cắt chưa đạt yêu cầu, Trong nghiên cứu này, một máy cắt vỏ cứng trái ca cao dựa trên nguyên lý cắt bằng cặp dao đĩa và ru lô dẫn hướng được phát triển Mục đích là để cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc mà không làm vỡ vụn vỏ hay cắt phạm vào hạt
Kết quả thử nghiệm cho thấy máy cắt vỏ cứng trái ca cao hoạt động tốt Trái ca cao được cắt làm đôi theo yêu cầu, hạt không bị đứt cũng như không làm vỡ vụn vỏ, máy cho năng suất khoảng 3.500 quả/giờ
Từ khóa: cắt vỏ cứng, ca cao, hạt, dao đĩa, ru lô
ABSTRACT
Nowadays, the products from the cocoa beans such as chocolate, cocoa powder,… are widely used all over the world In processing cocoa beans, cutting the cocoa pods is a time-consuming and labor-intensive step Meanwhile, in Vietnam, cutting the cocoa pods is mostly manual which leads to low productivity and work accidents Besides, the cocoa pods cutting machines on the market have many disadvantages such as low productivity, dissatisfactory cutting,… In this study, a cocoa pod cutting machine based on the cutting principle with two disc cutters and navigation rollers was developed The goal is to cut the cocoa pods in half lengthwise without breaking the beans or crumbing the pods Test results showed that the cocoa pods cutting machine worked well The cocoa pod was cut into two parts while neither the beans nor the pods were broken The machine yield is about 3.500 pods/ hour
Keywords: cutting the cocoa pod, cocoa, beans, disc cutter, roller
1 GIỚI THIỆU
Ngày nay, các sản phẩm như sô cô la, bột ca cao,… là các mặt hàng được sử dụng phổ
biến Nguyên liệu chính để tạo ra các sản phẩm này chính là hạt ca cao thô Quy trình chế
biến hạt ca cao thô gồm các công đoạn như: thu hoạch, trữ trái, cắt vỏ cứng, tách hạt, ủ lên men hạt, phơi, sấy và bảo quản Trong đó, cắt vỏ cứng trái ca cao là công đoạn chiếm rất nhiều thời gian và sức lao động Do đó, việc cơ khí hóa và tự động hóa trong công đoạn này
rất cần thiết
Trong thực tế, việc cắt vỏ cứng trái ca cao ở Việt Nam và một số nước khác thường được thực hiện bằng tay nên mất nhiều thời gian, năng suất thấp và có thể gây ra tai nạn lao động
Trang 2Các máy đang được sử dụng trên thị trường còn tồn tại nhiều hạn chế như: năng suất
thấp, kết cấu máy cồng kềnh, khi cắt bị phạm vào hạt và lượng vỏ vụn lẫn vào hạt cao
Do đó, việc nghiên cứu hoàn thiện máy cắt vỏ cứng trái ca cao sẽ góp phần vào việc
giảm tải thời gian, sức lao động, và đáp ứng nhu cầu của khách hàng ngày một tốt hơn Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu, phát triển máy cắt vỏ cứng trái ca cao được thực hiện tại trường ĐH SPKT TP HCM
2 NGUYÊN LÝ MÁY C ẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
2.1.Yêu c ầu làm việc của máy cắt vỏ cứng trái ca cao
− Máy có dạng mô đun rời, liên kết được với các bộ phận khác và có tính tự động
− Máy cắt vỏ trái ca cao ra làm đôi với nhiều kích cỡ trái khác nhau mà không phạm vào hạt hay làm vỡ vụn vỏ
− Máy phải có năng suất cao hơn các máy hiện có và an toàn cho người sử dụng máy
Các thông số của trái ca cao:
Hình 1 Thông s ố trái ca cao [4]
B ảng 1 Giá trị thông số của trái ca cao [4]
Thông số Khối lượng (kg) a(mm) b(mm) c(mm) d(mm)
Giá trị 0,2 ÷ 1 150 ÷ 300 70 ÷ 90 8 ÷ 20 3 ÷ 8
2.2 Nguyên lý làm vi ệc của máy cắt vỏ cứng trái ca cao
Căn cứ vào các yêu cầu làm việc, nguyên lý hoạt động của máy cắt vỏ cứng trái ca cao được đề xuất như sau:
b
a
Trang 3Hình 2 Sơ đồ nguyên lý của máy cắt vỏ cứng trái ca cao
3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
Để đảm bảo điều kiện làm việc của máy ta cần giải quyết các vấn đề sau:
3.1 Phương án cắt trái ca cao
3.1.1 Phương án cắt bằng cặp ru lô có lắp các lưỡi dao cắt
Trong phương án này, trái ca cao được cắt nhờ các lưỡi dao nhỏ được lắp chặt vào thân
của hai ru lô Ca cao được cấp vào vùng cắt ngẫu nhiên, không cần định hướng Thanh chặn được bố trí phía dưới nhằm giữ trái ca cao lại để dao có thể cắt đứt trái hoàn toàn trước khi rơi
xuống dưới
Hình 3 Phương án cắt bằng cặp ru lô có lắp các lưỡi dao cắt
Phương án này có ưu điểm là không cần định hướng trái ca cao trước khi cắt, nguyên lý máy đơn giản và hoạt động với năng suất cao Tuy nhiên, cơ cấu còn nhiều nhược điểm như
tỷ lệ hạt bị cắt phạm cao, lượng vỏ vụn lẫn vào hạt nhiều do biên dạng dao cắt không liên tục
3.1.2 Phương án cắt bằng cặp dao đĩa tròn cùng 4 bánh xe dẫn hướng
Theo hình 4, ca cao từ nơi cấp liệu được đưa đến ống dẫn hướng (2), dưới tác động của
lực kéo từ bốn bánh xe dẫn (3), ca cao được đưa qua dao đĩa (5), hai dao cắt được bố trí hai
Trái ca cao Thân dao (Ru lô)
Lưỡi dao cắt
Thanh chặn
Ca cao được làm sạch
Cơ cấu cắt
Cơ cấu dẫn và sửa hướng
Cơ cấu sàng tách hạt
Băng tải cấp liệu
Ru lô dẫn hướng Đĩa sửa hướng
Máy c ắt
v ỏ cứng trái ca cao
Trang 4bên để cắt vỏ trái ca cao ra làm đôi Nhờ lò xo (4) mà hai dao cắt luôn bám sát theo biên dạng trái ca cao nên trái ca cao được cắt hoàn toàn mà không bị cắt phạm vào hạt
Hình 4 Phương án cắt bằng cặp dao đĩa và bốn bánh xe dẫn hướng
(1): Ống dẫn hướng; (2): Trái ca cao; (3): Bánh xe dẫn;
(4): Lò xo; (5): Dao đĩa; (6:) Khung máy
Phương án này có ưu điểm là cắt được nhiều kích thước trái khác nhau, hai dao cắt có
khả năng tự điều chỉnh theo kích thước trái nên không cắt phạm vào hạt Trái ca cao cắt theo chiều dọc nên tỷ lệ vỏ bị vỡ vụn thấp Tuy nhiên, máy có năng suất chưa cao do chỉ có một
cụm cơ cấu cắt Kết cấu bộ truyền động phức tạp do hai dao cắt đều dịch chuyển Việc kết
hợp nhiều cơ cấu cắt trên một máy sẽ làm cho máy rất cồng kềnh nên khó tăng năng suất cho máy
3.1.3 Phương án cắt bằng cặp dao đĩa tròn có lắp đĩa răng
Máy cắt dựa trên nguyên lý dùng hai dao đĩa tròn quay ngược chiều nhau Một dao được đặt cố định và dao còn lại có khả năng di chuyển lên xuống tùy thuộc vào kích thước
của trái ca cao Hai đĩa răng được lắp hai bên mỗi dao cắt nhằm bám và kéo trái ca cao qua lưỡi cắt chính để cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc
Hình 5.a) Phương án cắt bằng cặp dao đĩa có lắp đĩa răng; b) Cấu tạo của dao cắt
Ưu điểm của phương pháp này là có thể cắt liên tục và cắt được nhiều kích thước trái khác nhau Cụm dao trên có khả năng tự điều chỉnh theo kích thước trái nên không cắt phạm vào hạt Tỷ lệ vỏ bị vỡ vụn thấp Ngoài ra, nguyên lý này có thể phát triển bằng cách kết hợp nhiều cụm dao cắt lại để tăng năng suất mà không làm cho máy cồng kềnh Tuy nhiên, việc xác định các thông số tối ưu cho máy phức tạp
Qua kết quả phân tích, phương án cắt bằng cặp dao đĩa có lắp đĩa răng là lựa chọn phù
hợp để phát triển thiết kế và chế tạo máy cắt vỏ cứng trái ca cao
Ca cao vào
Ca cao
đã cắt
Cụm dao trên
Cụm dao dưới
Đĩa răng Đĩa gá
Bu lông
Trang 53 2 Phương án thiết kế cơ cấu dẫn và sửa hướng
3.2.1 Phương án dùng hai cặp bánh xe quay ngược chiều nhau
Phương án này dùng hai cặp bánh xe quay ngược chiều nhau để kéo trái ca cao xuống
cơ cấu cắt Theo hình 6, trái ca cao được cấp theo phương thẳng đứng, sau đó được kéo xuống phía dưới bởi hai cặp bánh xe quay ngược chiều nhau Trái ca cao nằm giữa khe hở của bốn bánh xe nên sẽ được định hướng trong suốt quá trình cắt
Hình 6 Cơ cấu hai cặp bánh xe
Phương án này có các ưu điểm sau: đơn giản, dẫn được nhiều cỡ trái nhờ lớp cao su đàn
hồi Tuy nhiên, bốn bánh xe có kích thước cồng kềnh, cần công suất động cơ lớn
3.2.2.Phương án dùng cặp ru lô dẫn và đĩa sửa hướng
Dùng hai ru lô đặt song song và quay ngược chiều nhau Ru lô được đặt nghiêng một góc so với mặt sàn để khi quay trái ca cao có thể di chuyển dọc theo ru lô vào vùng căt Nếu trái ca cao chưa nằm đúng hướng sẽ được đĩa sửa hướng điều chỉnh lại
Hình 7 Cơ cấu dẫn và sửa hướng
Phương án này có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, có thể kết hợp nhiều cặp ru lô song song mà không chiếm quá nhiều không gian nên phù hợp với ý tưởng thiết kế của cơ cấu
cắt Tuy nhiên, cơ cấu này khó xác định các thông số hơn và không dẫn được những trái dị tật Qua kết quả phân tích, ta thấy phương án dùng cặp ru lô dẫn là lựa chọn phù hợp và có
nhiều thuận lợi hơn trong việc thiết kế, chế tạo máy cắt vỏ cứng trái ca cao
Ru lô dẫn
Đĩa sửa hướng Trái ca cao
α
Mâm bánh xe
Lớp cao su Khe hở
Trang 64 NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘNG CỦA MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
Hình 8 Nguyên lý ho ạt động của máy cắt vỏ cứng trái ca cao
(1): Động cơ cụm ru lô; (2):Trái ca cao; (3): Cụm đĩa sửa hướng; (4): Cụm dao cắt; (5): Động cơ cụm dao cắt; (6): Máng trượt; (7): Cụm ru lô; (8): Cụm thanh V dẫn
Động cơ (1) truyền động cho cụm ru lô, động cơ (5) truyền động cho dao trên, dao dưới
và cụm đĩa sửa hướng Trái ca cao (2) được cấp ngẫu nhiên vào máy, nhờ chuyển động quay
của các ru lô (7) mà trái ca cao sẽ di chuyển dọc theo chiều trục ru lô Cụm đĩa sửa hướng (3)
sẽ chỉnh trái ca cao lại đúng hướng trước khi đến cụm dao cắt (4) Trái ca cao sẽ được cắt làm đôi theo chiều dọc, sau đó theo máng dẫn(6) đến khâu tiếp theo
5 MÔ HÌNH KI ỂM ĐỊNH MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
Máy cắt vỏ cứng trái ca cao được cấu thành từ các bộ phận cơ bản sau:
Hình 9.Máy c ắt vỏ cứng trái ca cao
(1): Máng trượt; (2): Khung máy; (3): Cụm dao trên; (4): Cụm đĩa sửa hướng; (5): C ụm thanh V dẫn; (6): Máng cấp phôi; (7): Cụm ru lô dẫn; (8): Cụm dao dưới
1
2
3
6
7
8
5
6
7
8
Trang 75.1 C ụm ru lô dẫn
Nhiệm vụ của cụm ru lô dẫn là đưa trái ca cao đến vùng cắt và định hướng trái ca cao trong suốt quá trình cắt
Hình 10 C ụm ru lô dẫn
(1): Trục ru lô; (2): Ống ru lô; (3): Thanh đỡ trên; (4): Thanh đỡ dưới
5.2 Cụm đĩa sửa hướng
Cụm đĩa sửa hướng có nhiệm vụ điều chỉnh hướng trái ca cao dọc theo ru lô
Hình 11 C ụm đĩa sửa hướng
(1): Đĩa sửa hướng; (2): Bạc đạn UCP 204; (3): Trục; (4): Bánh xích
5.4 C ụm dao trên
Cụm dao trên gồm có các cần dao có khả năng di chuyển nhằm mục đích cắt đứt nửa trên của trái ca cao
Hình 12 C ụm dao trên
(1): Bánh xích; (2): Ổ dao; (3): Trục dao trên; (4): dây xích;
(5): B ạc đạn UCP 205; (6): Dao trên; (7): Bánh xích dao trên
Trang 85.5 C ụm dao dưới
Cụm dao dưới được đặt cố định và có nhiệm vụ cắt đứt nửa phía dưới của trái ca cao
Hình 13 Cụm dao dưới
(1):B ạc đạn UCP 205; (2):Trục dao dưới; (3): Dao dưới; (4): Bánh xích
5.6.Ch ế tạo-thử nghiệm
Máy đã được chế tạo thành công và đạt được những kết quả sau:
Hình 14 Máy c ắt vỏ cứng trái ca cao và trái ca cao đã được cắt vỏ cứng ngoài
Đánh giá quá trình thực nghiệm:
+ Máy cắt vỏ cứng trái ca cao hoạt động tốt: đạt năng suất 3500quả/giờ
+ Trái ca cao được cắt đôi theo yêu cầu, hạt không bị cắt phạm và vỏ không bị vỡ vụn
6 KẾT LUẬN
Máy cắt vỏ cứng trái ca cao hoạt động trên nguyên lý dùng cặp dao đĩa tròn và ru lô dẫn
đã được chế tạo thành công và kết quả thử nghiệm cho thấy máy hoạt động tốt:
− Năng suất đạt 3500 quả/giờ
− Trái ca cao được cắt đôi mà không phạm vào hạt, vết cắt thẳng dọc theo trái và không
có vỏ bị vỡ vụn
− Máy hoạt động ổn định, dễ bảo trì, bảo dưỡng
Trang 9TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Tr ịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Tập 1, 2), NXB Giáo
dục, Hà Nội 2006
[2] Trần Văn Địch, Nguyễn trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần Xuân
Việt, Công Nghệ Chế Tạo Máy, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2008
[3] Trần Quốc Hùng, Dung Sai Kỹ Thuật Đo,ĐH SPKT TPHCM, 2006
[4] Một số đặc tính chính các dòng ca cao đang trồng ở Việt Nam,
http://phdphuoc.com/blog/2013/10/05/mot-so-dac-tinh-chinh-cac-dong-ca-cao-dang-trong-o-viet-nam/
[5] S.K.Adzimah, Design of a Cacoa Pod Splitting Machine, Research journal of applied
Sciences, Engineering and Technology 2 (2010) 622-634
THÔNG TIN TÁC GI Ả
1 Đặng Minh Phụng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
phungdm@hcmute.edu.vn, 0906814944
2 Nguyễn Đăng Khoa, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
dangkhoackm09@gmail.com, 0913868239
3 Trương Nguyễn Luân Vũ, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
vuluantn@hcmute.edu.vn, 0909011136
4 Lê Minh Tu ấn, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
tuanleminh2909@gmail.com, 0985530914