Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO RESEARCHING DESIGN DEVELOPMENT AND MANUFACTURING THE COCOA POD CUTTING MACHINE Đặng Minh Phụng1a, Nguyễn Đăng Khoa1b, Trương Nguyễn Luân Vũ1c, Lê Minh Tuấn1d Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a phungdm@hcmute.edu.vn; bdangkhoackm09@gmail.com c vuluantn@hcmute.edu.vn; d tuanleminh2909@gmail.com TÓM TẮT Ngày nay, sản phẩm từ hạt ca cao như: sô cô la, bột ca cao,… sử dụng phổ biến toàn giới Trong quy trình chế biến hạt ca cao, cắt vỏ cứng trái ca cao công đoạn chiếm nhiều thời gian sức lao động Tuy nhiên, việc cắt vỏ cứng trái ca cao Việt Nam thường thực tay suất thấp xảy tai nạn lao động Bên cạnh đó, máy cắt vỏ cứng trái ca cao có thị trường tồn nhiều hạn chế như: suất thấp, cắt chưa đạt yêu cầu, Trong nghiên cứu này, máy cắt vỏ cứng trái ca cao dựa nguyên lý cắt cặp dao đĩa ru lô dẫn hướng phát triển Mục đích để cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc mà không làm vỡ vụn vỏ hay cắt phạm vào hạt Kết thử nghiệm cho thấy máy cắt vỏ cứng trái ca cao hoạt động tốt Trái ca cao cắt làm đôi theo yêu cầu, hạt không bị đứt không làm vỡ vụn vỏ, máy cho 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 timeconsuming 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 GIỚI THIỆU Ngày nay, sản phẩm sô cô la, bột ca cao,… mặt hàng sử dụng phổ biến Nguyên liệu để tạo sản phẩm hạt ca cao thô Quy trình chế biến hạt ca cao thô gồm công đoạn như: thu hoạch, trữ trái, cắt vỏ cứng, tách hạt, ủ lên men hạt, phơi, sấy bảo quản Trong đó, cắt vỏ cứng trái ca cao công đoạn chiếm nhiều thời gian sức lao động Do đó, việc khí hóa tự động hóa công đoạn cần thiết Trong thực tế, việc cắt vỏ cứng trái ca cao Việt Nam số nước khác thường thực tay nên nhiều thời gian, suất thấp gây tai nạn lao động 934 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Các máy sử dụng thị trường tồn nhiều hạn chế như: suất thấp, kết cấu máy cồng kềnh, cắt bị phạm vào hạt lượng vỏ vụn lẫn vào hạt cao Do đó, việc nghiên cứu hoàn thiện máy cắt vỏ cứng trái ca cao góp phần vào việc giảm tải thời gian, sức lao động, đáp ứng nhu cầu khách hàng ngày tốt Bài báo trình bày kết nghiên cứu, phát triển máy cắt vỏ cứng trái ca cao thực trường ĐH SPKT TP HCM NGUYÊN LÝ MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO 2.1.Yêu cầu làm việc máy cắt vỏ cứng trái ca cao − Máy có dạng mô đun rời, liên kết với phận khác có tính tự động − Máy cắt vỏ trái ca cao làm đôi với nhiều kích cỡ trái khác mà không phạm vào hạt hay làm vỡ vụn vỏ − Máy phải có suất cao máy có an toàn cho người sử dụng máy Các thông số trái ca cao: b d d a c c Hình Thông số trái ca cao [4] Bảng Giá trị thông số trái ca cao [4] Thông số Khối lượng (kg) a(mm) b(mm) c(mm) d(mm) Giá trị 0,2 ÷ 150 ÷ 300 70 ÷ 90 ÷ 20 3÷8 2.2 Nguyên lý làm việc máy cắt vỏ cứng trái ca cao Căn vào yêu cầu làm việc, nguyên lý hoạt động máy cắt vỏ cứng trái ca cao đề xuất sau: 935 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ca cao làm Băng tải cấp liệu Cơ cấu dẫn sửa hướng Ru lô dẫn hướng Đĩa sửa hướng Máy cắt vỏ cứng trái ca cao Cơ cấu cắt Cơ cấu sàng tách hạt Hình Sơ đồ nguyên lý máy cắt vỏ cứng trái ca cao PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO Để đảm bảo điều kiện làm việc máy ta cần giải vấn đề sau: 3.1 Phương án cắt trái ca cao 3.1.1 Phương án cắt cặp ru lô có lắp lưỡi dao cắt Trong phương án này, trái ca cao cắt nhờ lưỡi dao nhỏ lắp chặt vào thân hai ru lô Ca cao cấp vào vùng cắt ngẫu nhiên, không cần định hướng Thanh chặn bố trí phía nhằm giữ trái ca cao lại để dao cắt đứt trái hoàn toàn trước rơi xuống Trái ca cao Thân dao Lưỡi dao cắt (Ru lô) n n Thanh chặn Hình Phương án cắt cặp ru lô có lắp lưỡi dao cắt Phương án có ưu điểm không cần định hướng trái ca cao trước cắt, nguyên lý máy đơn giản hoạt động với suất cao Tuy nhiên, cấu nhiều nhược điểm tỷ lệ hạt bị cắt phạm cao, lượng vỏ vụn lẫn vào hạt nhiều biên dạng dao cắt không liên tục 3.1.2 Phương án cắt cặp dao đĩa tròn bánh xe dẫn hướng Theo hình 4, ca cao từ nơi cấp liệu đưa đến ống dẫn hướng (2), tác động lực kéo từ bốn bánh xe dẫn (3), ca cao đưa qua dao đĩa (5), hai dao cắt bố trí hai 936 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV bên để cắt vỏ trái ca cao làm đôi Nhờ lò xo (4) mà hai dao cắt bám sát theo biên dạng trái ca cao nên trái ca cao cắt hoàn toàn mà không bị cắt phạm vào hạt Hình Phương án cắt cặp dao đĩa 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 có ưu điểm cắt nhiều kích thước trái khác nhau, hai dao cắt có khả 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 suất chưa cao có cụm cấu cắt Kết cấu truyền động phức tạp hai dao cắt dịch chuyển Việc kết hợp nhiều cấu cắt máy làm cho máy cồng kềnh nên khó tăng suất cho máy 3.1.3 Phương án cắt cặp dao đĩa tròn có lắp đĩa Máy cắt dựa nguyên lý dùng hai dao đĩa tròn quay ngược chiều Một dao đặt cố định dao lại có khả di chuyển lên xuống tùy thuộc vào kích thước trái ca cao Hai đĩa lắp hai bên dao cắt nhằm bám kéo trái ca cao qua lưỡi cắt để cắt đôi trái ca cao theo chiều dọc Cụm dao Đĩa Ca cao vào Ca cao cắt Cụm dao Đĩa gá Bu lông Dao cắt a b Hình 5.a) Phương án cắt cặp dao đĩa có lắp đĩa răng; b) Cấu tạo dao cắt Ưu điểm phương pháp cắt liên tục cắt nhiều kích thước trái khác Cụm dao có khả tự điều chỉnh theo kích thước trái nên không cắt phạm vào hạt Tỷ lệ vỏ bị vỡ vụn thấp Ngoài ra, nguyên lý phát triển cách kết hợp nhiều cụm dao cắt lại để tăng suất mà không làm cho máy cồng kềnh Tuy nhiên, việc xác định thông số tối ưu cho máy phức tạp Qua kết phân tích, phương án cắt cặp dao đĩa có lắp đĩa lựa chọn phù hợp để phát triển thiết kế chế tạo máy cắt vỏ cứng trái ca cao 937 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2 Phương án thiết kế cấu dẫn sửa hướng 3.2.1 Phương án dùng hai cặp bánh xe quay ngược chiều Phương án dùng hai cặp bánh xe quay ngược chiều để kéo trái ca cao xuống cấu cắt Theo hình 6, trái ca cao cấp theo phương thẳng đứng, sau kéo xuống phía hai cặp bánh xe quay ngược chiều Trái ca cao nằm khe hở bốn bánh xe nên định hướng suốt trình cắt Mâm bánh xe Khe hở Lớp cao su n n Hình Cơ cấu hai cặp bánh xe Phương án có ưu điểm sau: đơn giản, dẫn nhiều cỡ trái nhờ lớp cao su đàn hồi Tuy nhiên, bốn bánh xe có kích thước cồng kềnh, cần công suất động lớn 3.2.2.Phương án dùng cặp ru lô dẫn đĩa sửa hướng Dùng hai ru lô đặt song song quay ngược chiều Ru lô đặt nghiêng góc so với mặt sàn để quay trái ca cao di chuyển dọc theo ru lô vào vùng căt Nếu trái ca cao chưa nằm hướng đĩa sửa hướng điều chỉnh lại Đĩa sửa hướng Trái ca cao Ru lô dẫn α Hình Cơ cấu dẫn sửa hướng Phương án có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, kết hợp nhiều cặp ru lô song song mà không chiếm nhiều không gian nên phù hợp với ý tưởng thiết kế cấu cắt Tuy nhiên, cấu khó xác định thông số không dẫn trái dị tật Qua kết phân tích, ta thấy phương án dùng cặp ru lô dẫn lựa chọn phù hợp có nhiều thuận lợi việc thiết kế, chế tạo máy cắt vỏ cứng trái ca cao 938 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO Hình Nguyên lý hoạt động máy cắt vỏ cứng trái ca cao (1): Động cụm ru lô; (2):Trái ca cao; (3): Cụm đĩa sửa hướng; (4): Cụm dao cắt; (5): Động cụm dao cắt; (6): Máng trượt; (7): Cụm ru lô; (8): Cụm V dẫn Động (1) truyền động cho cụm ru lô, động (5) truyền động cho dao trên, dao cụm đĩa sửa hướng Trái ca cao (2) cấp ngẫu nhiên vào máy, nhờ chuyển động quay ru lô (7) mà trái ca cao di chuyển dọc theo chiều trục ru lô Cụm đĩa sửa hướng (3) chỉnh trái ca cao lại hướng trước đến cụm dao cắt (4) Trái ca cao cắt làm đôi theo chiều dọc, sau theo máng dẫn(6) đến khâu MÔ HÌNH KIỂM ĐỊNH MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO Máy cắt vỏ cứng trái ca cao cấu thành từ phận sau: Hình 9.Máy cắt vỏ cứng trái ca cao (1):Máng trượt; (2): Khung máy; (3): Cụm dao trên; (4): Cụm đĩa sửa hướng; (5): Cụm V dẫn; (6): Máng cấp phôi; (7): Cụm ru lô dẫn; (8): Cụm dao 939 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 5.1 Cụm ru lô dẫn Nhiệm vụ cụm ru lô dẫn đưa trái ca cao đến vùng cắt định hướng trái ca cao suốt trình cắt Hình 10 Cụm ru lô dẫn (1): Trục ru lô; (2): Ống ru lô; (3): Thanh đỡ trên; (4): Thanh đỡ 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 Cụm đĩa sửa hướng (1): Đĩa sửa hướng; (2): Bạc đạn UCP 204; (3): Trục; (4): Bánh xích 5.4 Cụm dao Cụm dao gồm có cần dao có khả di chuyển nhằm mục đích cắt đứt nửa trái ca cao Hình 12 Cụm dao (1): Bánh xích; (2): Ổ dao; (3): Trục dao trên; (4): dây xích; (5): Bạc đạn UCP 205; (6): Dao trên; (7): Bánh xích dao 940 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 5.5 Cụm dao Cụm dao đặt cố định có nhiệm vụ cắt đứt nửa phía trái ca cao Hình 13 Cụm dao (1):Bạc đạn UCP 205; (2):Trục dao dưới; (3): Dao dưới; (4): Bánh xích 5.6.Chế tạo-thử nghiệm Máy chế tạo thành công đạt kết sau: Hình 14 Máy cắt vỏ cứng trái ca cao trái ca cao cắt vỏ cứng  Đánh giá trình thực nghiệm: + Máy cắt vỏ cứng trái ca cao hoạt động tốt: đạt suất 3500quả/giờ + Trái ca cao cắt đôi theo yêu cầu, hạt không bị cắt phạm vỏ không bị vỡ vụn KẾT LUẬN Máy cắt vỏ cứng trái ca cao hoạt động nguyên lý dùng cặp dao đĩa tròn ru lô dẫn chế tạo thành công kết thử nghiệm cho thấy máy hoạt động tốt: − Năng suất đạt 3500 quả/giờ − Trái ca cao cắt đôi mà không phạm vào hạt, vết cắt thẳng dọc theo trái vỏ bị vỡ vụn − Máy hoạt động ổn định, dễ bảo trì, bảo dưỡng 941 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động 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 dòng ca cao trồng Việt Nam, http://phdphuoc.com/blog/2013/10/05/mot-so-dac-tinh-chinh-cac-dong-ca-cao-dangtrong-o-viet-nam/ [5] S.K.Adzimah, Design of a Cacoa Pod Splitting Machine, Research journal of applied Sciences, Engineering and Technology (2010) 622-634 THÔNG TIN TÁC GIẢ Đặng Minh Phụng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM phungdm@hcmute.edu.vn, 0906814944 Nguyễn Đăng Khoa, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM dangkhoackm09@gmail.com, 0913868239 Trương Nguyễn Luân Vũ, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM vuluantn@hcmute.edu.vn, 0909011136 Lê Minh Tuấn, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM tuanleminh2909@gmail.com, 0985530914 942 ... hướng Máy cắt vỏ cứng trái ca cao Cơ cấu cắt Cơ cấu sàng tách hạt Hình Sơ đồ nguyên lý máy cắt vỏ cứng trái ca cao PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO Để đảm bảo điều kiện làm việc máy. .. Trái ca cao cắt làm đôi theo chiều dọc, sau theo máng dẫn(6) đến khâu MÔ HÌNH KIỂM ĐỊNH MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO Máy cắt vỏ cứng trái ca cao cấu thành từ phận sau: Hình 9 .Máy cắt vỏ cứng trái. .. vỏ cứng trái ca cao trái ca cao cắt vỏ cứng  Đánh giá trình thực nghiệm: + Máy cắt vỏ cứng trái ca cao hoạt động tốt: đạt suất 3500quả/giờ + Trái ca cao cắt đôi theo yêu cầu, hạt không bị cắt