NGHIÊN cứu PHÁT TRIỂN THIẾT kế và CHẾ tạo máy cắt vỏ CỨNG TRÁI CA CAO

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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
1
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
a
;
c
; d
TÓM TẮT
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 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.
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.
934


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Các 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 CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
2.1.Yêu cầu 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:
b
d

d

a

c

c

Hình 1. Thông số trái ca cao [4]
Bảng 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 việc 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:

935


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Ca cao được làm sạch
Băng tải cấp liệu
Cơ cấu dẫn và 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 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.

Trái ca cao
Thân dao

Lưỡi dao cắt

(Ru lô)
n

n

Thanh chặn
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
936


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
bên 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.

Cụm dao trên

Đĩa răng

Ca cao vào

Ca
cao
đã
cắt

Cụm dao dưới

Đĩa gá

Bu lông
Dao cắt

a

b

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.
937


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.2. 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.

Mâm bánh xe

Khe hở

Lớp cao su
n

n

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.

Đĩa sửa hướng
Trái ca cao

Ru lô dẫn
α
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.
938


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY CẮT VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
1

2

8

7

3

4

6

5
Hình 8. Nguyên lý hoạt 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 KIỂM 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:
4

5

3
6

2

7

8

1

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 thanh V dẫn; (6): Máng cấp phôi; (7): Cụm ru lô dẫn; (8): Cụm dao dưới.
939


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
5.1. Cụm 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. Cụm 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. Cụm đĩa sửa hướng
(1): Đĩa sửa hướng; (2): Bạc đạn UCP 204; (3): Trục; (4): Bánh xích.
5.4. Cụm 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. Cụm dao trên
(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 trên.
940


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
5.5. Cụm 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):Bạc đạn UCP 205; (2):Trục dao dưới; (3): Dao dưới; (4): Bánh xích.
5.6.Chế tạo-thử nghiệm
Máy đã được chế tạo thành công và đạt được những kết quả sau:

Hình 14. Máy cắt 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.
941


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trịnh 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,
/>[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 GIẢ
1.

Đặng Minh Phụng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
, 0906814944.

2.

Nguyễn Đăng Khoa, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
, 0913868239.

3.

Trương Nguyễn Luân Vũ, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
, 0909011136.

4.

Lê Minh Tuấn, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
, 0985530914.

942