Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa quy trình sản xuất thực phẩm, việc cơ giới hóa và tự động hóa các công đoạn chế biến nông sản đóng vai trò thiết thực nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Tại thị trường Việt Nam, xu hướng tiêu dùng các sản phẩm đồ uống tự nhiên, giàu dinh dưỡng đang có sự gia tăng rõ rệt; nhu cầu tiêu thụ nước giải khát không gas, đặc biệt là nước trái cây tươi, ghi nhận mức tăng trưởng trung bình khoảng 30%/năm. Các khảo sát xã hội học đô thị chỉ ra rằng 70% người tiêu dùng quan tâm nhiều hơn đến sức khỏe, 74% có xu hướng bổ sung vitamin và khoáng chất, và 80% ưu tiên lựa chọn thực phẩm có hoạt chất sinh học tự nhiên.

Quả cam là nguồn cung cấp dồi dào Vitamin C, các hợp chất flavonoid, rutin (Vitamin P), khoáng chất và Citrus Limonoid – những hoạt chất có tác dụng tăng cường miễn dịch và hỗ trợ phòng chống bệnh lý tim mạch, ung thư. Tuy nhiên, trong vỏ cam có chứa nhiều tinh dầu cay đắng và pectin; nếu quá trình ép cơ học tác động lực quá mức hoặc phá hủy hoàn toàn cấu trúc vỏ thì tinh dầu sẽ lẫn vào dịch quả, gây suy giảm chất lượng cảm quan của nước ép. Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng tập trung giải quyết bài toán thiết kế cơ cấu máy ép nước cam tự động nhằm kiểm soát quá trình cắt và ép tách dịch mà không làm lẫn tinh dầu vỏ.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm ba nhiệm vụ kỹ thuật:

  1. Tiết kiệm thời gian và giảm thiểu sức lao động thủ công trong công đoạn chế biến nước cam.
  2. Đảm bảo chất lượng sản phẩm nước ép đạt yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm và không bị đắng do lẫn tinh dầu vỏ.
  3. Thiết kế kết cấu máy gọn nhẹ, dễ dàng vận hành, bảo dưỡng và chuyển giao công nghệ.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cơ cấu cơ khí và động lực của máy ép nước cam tự động, bao gồm cụm cấp phôi, cơ cấu cắt gọt, bộ phận ép cam (lô ép), hệ thống truyền động bánh răng - đai và khung vỏ máy. Phạm vi nghiên cứu được xác lập dựa trên các thông số kỹ thuật đầu vào:

  • Lực tác dụng ép: $F = 500\text{ N}$.
  • Vận tốc vòng của tang/lô ép: $v = 0{,}042\text{ m/s}$.
  • Đường kính tang ép: $D = 160\text{ mm}$.
  • Chế độ làm việc: 2 ca/ngày, 8 giờ/ca; thời gian phục vụ thiết kế $T = 5\text{ năm}$ (tổng thời gian làm việc danh định $t = 29.200\text{ giờ}$).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Thực hiện tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, bảo vệ tháng 06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết tính toán chi tiết máy truyền thống kết hợp các công cụ kỹ thuật hiện đại để tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí:

  • Cơ sở lý thuyết tính toán động học và động lực học: Sử dụng phương pháp giải tích phân phối tỷ số truyền, tính toán công suất cản và mô-men xoắn trên các trục dẫn truyền theo giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) và Thiết kế chi tiết máy (Nguyễn Trọng Hiệp).
  • Lý thuyết độ bền chi tiết máy: Đánh giá độ bền tiếp xúc mỏi ($\sigma_H$) và độ bền uốn chân răng ($\sigma_F$) của các cặp bánh răng trụ răng thẳng theo tiêu chuẩn ứng suất cho phép; kiểm nghiệm sức bền mỏi uốn và xoắn của trục theo hệ số an toàn $n$ kết hợp kiểm tra độ võng và độ dập của then bằng.
  • Phương pháp mô phỏng số (FEA): Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để phân tích trường phân bố ứng suất tương đương Von-Mises và chuyển vị biến dạng của cụm lô ép cam dưới tác dụng của tải trọng ép danh định $500\text{ N}$.
  • Phương pháp chế tạo mẫu nhanh và công nghệ gia công cơ khí: Sử dụng phần mềm xử lý cắt lớp Ultimaker Cura để thiết lập thông số công nghệ in 3D (nhiệt độ đầu đùn, mật độ điền đầy, chiều dày lớp in) cho các chi tiết phi kim loại biên dạng phức tạp; lập quy trình công nghệ gia công cắt gọt truyền thống cho chi tiết trục kim loại.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm: các tiêu chuẩn vật liệu chế tạo máy (Thép 45, Thép 35, bảng tra cơ tính mỏi, ứng suất uốn, độ rắn Brinell HB); số liệu đo đạc thực tế về kích thước hình học, khối lượng của các giống cam phổ biến tại Việt Nam (cam mật trọng lượng $\approx 200\text{ g}$, cam sành trọng lượng $200 - 250\text{ g}$); cùng các thông số ban đầu được quy định trong bảng nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy ép nước cam tự động được phát triển với kết cấu cơ khí hoàn chỉnh gồm ba khối chức năng chính: hệ thống động lực và giảm tốc, cơ cấu ép - cắt, và hệ thống cấp phôi tự động.

Tính toán động cơ và phân phối tỷ số truyền

Công suất làm việc trên trục công tác được xác định từ lực kéo và vận tốc vòng: $$P_{ct} = \frac{F \cdot v}{1000} = \frac{500 \cdot 0{,}042}{1000} = 0{,}021\text{ kW}$$

Hiệu suất truyền động tổng thể của hệ thống gồm 5 cặp ổ lăn, 3 bộ truyền bánh răng trụ bịt kín, 1 bộ truyền đai và 1 khớp nối: $$\eta = \eta_{ol}^5 \cdot \eta_{br}^3 \cdot \eta_d \cdot \eta_{kn} = (0{,}99)^5 \cdot (0{,}96)^3 \cdot 0{,}90 \cdot 1 \approx 0{,}73$$

Công suất yêu cầu trên trục động cơ: $$P_{yc} = \frac{P_{ct}}{\eta} = \frac{0{,}021}{0{,}73} \approx 0{,}029\text{ kW}$$

Động cơ điện được lựa chọn có tốc độ quay định mức $n_{dc} = 1350\text{ vòng/phút}$. Tỷ số truyền chung của hệ thống được phân phối qua hộp giảm tốc 3 cấp bánh răng trụ răng thẳng và 1 bộ truyền đai ngoài: $$i_{chung} = \frac{n_{dc}}{n_{lo}} = \frac{1350}{5} = 270$$ Trong đó: cấp nhanh 1 có $i_{bn1} = 6$; cấp nhanh 2 có $i_{bn2} = 5$; cấp chậm có $i_{bt} = 4{,}5$; bộ truyền đai có $i_d = 2$.

Thông số Trục động cơ Trục 1 Trục 2 Trục 3 Trục 4 Trục công tác (Trục 5)
Tỷ số truyền ($i$) 1 1 6 5 4,5 2
Số vòng quay ($n$ - vg/ph) 1350 1350 225 45 10 5
Công suất ($P$ - kW) 0,029 0,029 0,028 0,026 0,024 0,021
Mô-men xoắn ($M_x$ - N.mm) 205,15 205,15 1188,44 5517,78 22920 40110

Thông số kỹ thuật các bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc

Vật liệu chế tạo bánh răng: Bánh nhỏ sử dụng thép 45 thường hóa ($\sigma_{b1} = 600\text{ MPa}, \sigma_{ch1} = 300\text{ MPa}, \text{HB}1 = 170$); Bánh lớn sử dụng thép 35 thường hóa ($\sigma{b2} = 500\text{ MPa}, \sigma_{ch2} = 260\text{ MPa}, \text{HB}_2 = 150$).

Bộ truyền Mô-đun ($m$) Số răng dẫn ($Z_1$) Số răng bị dẫn ($Z_2$) Khoảng cách trục ($A$) Chiều rộng vành răng ($b_1/b_2$)
Cấp nhanh 1 ($i=6$) 1,0 mm 17 102 60 mm 23 mm / 18 mm
Cấp nhanh 2 ($i=5$) 1,5 mm 18 90 78 mm 30 mm / 25 mm
Cấp chậm ($i=4,5$) 2,0 mm 18 81 100 mm 35 mm / 30 mm

Ứng dụng công nghệ in 3D và gia công cơ khí

Nhóm nghiên cứu ứng dụng phần mềm Ultimaker Cura để lập trình in 3D cho các chi tiết có hình học phức tạp phục vụ tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm hoặc gá đặt định hình:

  • Lô ép trên và lô ép dưới (dạng trục cán cong định hình).
  • Chỏm cầu ép và định hướng quả cam.
  • Khung đế gá dao cắt đôi quả cam.
  • Cụm gá và thanh gạt vỏ cam tự động sau khi ép.

Đối với chi tiết Trục 2 chịu tải trọng uốn xoắn phức tạp ($M_x = 1188{,}44\text{ N.mm}$), nhóm lập quy trình công nghệ gia công cắt gọt định hình trục thép (tiện khỏa mặt đầu, khoan tâm, tiện thô/tinh các đoạn ngõng trục $\phi 12$, $\phi 10$, $\phi 9$, phay rãnh then và mài hoàn thiện). Các ổ lăn đỡ trục 1 và trục 2 được tính toán chọn loại ổ bi đỡ một dãy cỡ đặc biệt nhẹ mã hiệu 36019 ($d = 9\text{ mm}, D = 24\text{ mm}, B = 9\text{ mm}, C_{bang} = 3200\text{ N}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tìm hiểu chung

Chương 1 trình bày tổng quan về nhu cầu thị trường nước ép trái cây tại Việt Nam, phân tích thành phần dinh dưỡng và giá trị y học của quả cam. Tác giả tiến hành phân loại các giống cam trồng phổ biến (cam mật, cam sành, cam Canh, cam Navel) nhằm làm rõ đặc tính kích thước vỏ và thịt quả. Chương này đồng thời xác lập mục tiêu đề tài, phương pháp tiếp cận thiết kế kỹ thuật, khảo sát sơ bộ các dòng máy vắt cam tay gạt và máy vắt bán tự động hiện có trên thị trường để tìm ra nguyên lý ép phù hợp.

Chương 2: Chọn phương án thiết kế máy ép cam

Chương 2 tập trung phân tích, so sánh ba phương án động học cho hệ thống truyền động chính của máy:

  1. Phương án 1 (Truyền động bánh răng): Sử dụng một động cơ kết hợp hộp giảm tốc bánh răng trụ phân phối chuyển động cho các trục công tác. Ưu điểm là tỷ số truyền chính xác, độ tin cậy cao, kết cấu gọn gàng; nhược điểm là đòi hỏi độ chính xác gia công lắp ráp cao.
  2. Phương án 2 (Sử dụng 2 động cơ bước): Dẫn động độc lập cho các cụm trục bằng động cơ bước. Ưu điểm là điều khiển vận tốc linh hoạt; nhược điểm là giá thành cao và cần mạch điều khiển đồng tốc phức tạp.
  3. Phương án 3 (Sử dụng bộ truyền xích): Dẫn động qua hệ thống xích tải với các đĩa xích tỷ lệ $a:b:c:d = 4:4:3:3$ kết hợp đĩa xích trung gian đảo chiều. Ưu điểm là chi phí thấp; nhược điểm là vận tốc tức thời không ổn định và kết cấu rườm rà.

Nhóm tác giả quyết định lựa chọn Phương án 1. Từ đó, chương này tiến hành tính toán công suất động cơ ($P = 0{,}029\text{ kW}$), phân phối tỷ số truyền ($i = 270$), thiết kế chi tiết 3 cấp bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, tính toán kết cấu 4 trục truyền động, kiểm nghiệm then bằng và lựa chọn ổ bi đỡ cho hộp giảm tốc.

Chương 3: Tính toán phần thân máy

Chương 3 trình bày các tính toán liên quan đến cụm kết cấu cơ cấu công tác:

  • Tính toán bộ truyền đai dẹt/đai thang dẫn động từ trục ra hộp giảm tốc đến trục cơ cấu ép.
  • Tính toán trục, then và cặp bánh răng ăn khớp đồng tốc gắn trực tiếp trên bộ phận lô ép.
  • Tính toán thông số hình học của các lô ép cam, xác lập khe hở ép và biên dạng tiếp xúc nhằm tối ưu hóa khả năng tách nước mà không làm dập nát lớp cùi trắng chứa tinh dầu.
  • Kiểm nghiệm ứng suất và biến dạng của lô ép thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn Abaqus.
  • Tính toán và thiết kế hệ thống cấp phôi tự động: Lựa chọn cơ cấu phễu cấp phôi dạng đĩa quay có định hướng kết hợp máng dẫn hướng quả cam rơi tự do vào vị trí dao cắt.

Chương 4: Ứng dụng in 3D Cura và quy trình công nghệ gia công trục

Chương 4 mô tả quy trình ứng dụng công nghệ in 3D FDM và phần mềm Ultimaker Cura trong việc tạo mẫu nhanh các bộ phận công tác: thiết lập đường chạy dao, mật độ điền đầy, góc nghiêng đỡ (support) cho các chi tiết lô ép trên, lô ép dưới, chỏm cầu ép, đế gá dao cắt và đồ gá gạt vỏ. Phần tiếp theo của chương trình bày bản vẽ chế tạo và tiến trình công nghệ gia công cơ khí chi tiết Trục 2, bao gồm việc chọn chuẩn định vị, xác định lượng dư gia công, chế độ cắt và dung sai lắp ghép với ổ lăn, then.

Chương 5: Vận hành bảo dưỡng máy và kết quả đạt được

Chương 5 thuyết minh sơ đồ nguyên lý mạch đấu nối điện động lực và điều khiển của máy ép; hướng dẫn quy trình vận chuyển, gá đặt trên bệ phẳng và các yêu cầu an toàn điện - cơ học trong vận hành. Nhóm tác giả trình bày quy trình bảo trì, bôi trơn định kỳ ổ lăn, bánh răng và phương pháp tháo lắp vệ sinh cụm lô ép sau ca làm việc. Cuối chương giới thiệu hình ảnh mô hình máy thực tế đã được chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh và chạy thử nghiệm.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật định lượng: Hoàn thành tập thuyết minh kỹ thuật 104 trang A4 kèm 04 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 (bản vẽ sơ đồ phương án, bản vẽ kết cấu toàn máy, bản vẽ quy trình công nghệ gia công trục và bản vẽ chi tiết).
  • Hệ thống dẫn động hoàn chỉnh: Thiết kế và kiểm nghiệm thành công hệ thống truyền động giảm tốc từ $1350\text{ vg/ph}$ xuống $5\text{ vg/ph}$ ($i=270$), đảm bảo hệ số an toàn mỏi của các trục $n > 1{,}5$ (trục 3 đạt $n = 48{,}13$; trục 4 đạt $n = 26{,}39$).
  • Ứng dụng công nghệ mới: Kết hợp thành công công nghệ mô phỏng phần tử hữu hạn Abaqus để đánh giá biến dạng lô ép và công nghệ in 3D (Ultimaker Cura) để chế tạo 05 cụm chi tiết phi tiêu chuẩn với chi phí thấp và thời gian hoàn thiện nhanh.
  • Chế tạo mô hình thực tế: Chế tạo thành công mô hình máy ép nước cam tự động hoạt động đồng bộ từ khâu nạp phôi qua đĩa cấp, cắt đôi quả cam bằng dao cố định, ép tách nước qua hai lô ép quay ngược chiều và tự động gạt vỏ ra máng thải.
  • Đánh giá học thuật: Đồ án được Người hướng dẫn (ThS. Nguyễn Quang Dự) chấm 9,0/10 điểm và Người phản biện (TS. Bùi Hệ Thống) chấm 8,0/10 điểm, đủ điều kiện bảo vệ tốt nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nhận xét phản biện của TS. Bùi Hệ Thống và nội dung tự đánh giá của nhóm tác giả, đồ án còn tồn tại một số hạn chế:

  • Cấu trúc phân bổ nội dung chưa hợp lý: Tên tiêu đề Chương 2 và Chương 3 chưa phản ánh đúng trọng tâm nội dung (Chương 2 về chọn phương án nhưng chứa toàn bộ phần tính toán trục, ổ lăn hộp giảm tốc; Chương 3 tiêu đề tính toán thân máy nhưng lại trình bày tính toán bộ truyền đai, trục ép và mô phỏng Abaqus).
  • Chưa có số liệu thực nghiệm so sánh định lượng: Đồ án chưa tiến hành đo đạc chính xác năng suất ép thực tế (kg cam/giờ hoặc lít nước ép/giờ) và hiệu suất thu hồi dịch quả để so sánh đối chứng với các phương pháp ép thủ công.
  • Độ bền mỏi vật liệu in 3D: Các chi tiết lô ép và máng gạt in 3D bằng vật liệu polyme cần được kiểm chứng độ bền mỏi và độ bền hóa học dài hạn dưới tác động của acid citric trong môi trường nước cam thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: Tối ưu hóa lại kết cấu khung vỏ bằng inox để đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp thực phẩm; tích hợp thêm cảm biến an toàn ngắt mạch tự động khi kẹt phôi; nghiên cứu kết hợp cụm lọc bã tự động và module chiết rót đóng chai đồng bộ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy và Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế máy chế biến thực phẩm.

Những nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

  1. Phương pháp tính toán chi tiết chuỗi truyền động nhiều cấp có tỷ số truyền lớn ($i = 270$) với đầy đủ các bước kiểm nghiệm bền bánh răng, trục và ổ lăn.
  2. Quy trình ứng dụng công nghệ in 3D (Ultimaker Cura) kết hợp gia công cắt gọt truyền thống để giảm thiểu chi phí chế tạo mô hình thử nghiệm.
  3. Giải pháp thiết kế cơ cấu cấp phôi tự động dạng đĩa quay cho đối tượng phôi dạng quả cầu/trái cây.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số đầu vào làm căn cứ tính toán thiết kế máy là gì?
Các thông số danh định bao gồm: Lực tác dụng ép $F = 500\text{ N}$, vận tốc vòng của lô cán cam $v = 0{,}042\text{ m/s}$, đường kính tang ép $D = 160\text{ mm}$, thời gian phục vụ $T = 5\text{ năm}$, chế độ làm việc 2 ca/ngày, mỗi ca 8 giờ.

2. Động cơ điện và hộp giảm tốc của máy được thiết kế với các thông số nào?
Máy sử dụng động cơ có công suất tính toán yêu cầu $P = 0{,}029\text{ kW}$, tốc độ quay $n = 1350\text{ vòng/phút}$. Tỷ số truyền chung $i = 270$, được phân chia qua hộp giảm tốc bánh răng trụ 3 cấp ($i_{bn1}=6, i_{bn2}=5, i_{bt}=4{,}5$) và 1 bộ truyền đai ($i_d=2$) để đưa tốc độ trục công tác về $5\text{ vòng/phút}$.

3. Vì sao phương án truyền động bánh răng được lựa chọn thay vì động cơ bước hoặc xích?
Phương án bánh răng sử dụng duy nhất một nguồn động lực, giúp kết cấu điều khiển đơn giản, truyền động chính xác và tin cậy cao hơn so với bộ truyền xích (vận tốc tức thời không đều, phải dùng thêm 2 bánh xích trung gian phức tạp) và có chi phí chế tạo thấp hơn phương án dùng 2 động cơ bước kèm mạch điều khiển đồng tốc.

4. Những chi tiết nào trong máy được chế tạo bằng công nghệ in 3D Cura?
Các chi tiết in 3D gồm có: Cụm lô ép trên, lô ép dưới, chỏm cầu định hình, đế gá dao cắt đôi cam và cụm gá đỡ bộ phận gạt vỏ tự động.

5. Người phản biện đồ án có những ý kiến đánh giá trọng tâm nào?
Người phản biện (TS. Bùi Hệ Thống) đánh giá đồ án đạt 8,0/10 điểm, cho phép bảo vệ nhưng yêu cầu chỉnh sửa sự bất hợp lý trong phân chia nội dung giữa Chương 2 và Chương 3, làm rõ mục tiêu nghiên cứu tại Chương 1, bổ sung đánh giá so sánh năng suất thực tế của máy với phương pháp ép thủ công và giải trình lý do ứng dụng in 3D cho từng chi tiết.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Máy ép nước cam tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán động học, động lực học và độ bền cho hệ thống dẫn động cơ khí tỷ số truyền lớn. Nghiên cứu thể hiện tính ứng dụng thực tiễn rõ nét khi kết hợp phương pháp tính toán giải tích cổ điển với công nghệ mô phỏng Abaqus và chế tạo mẫu nhanh in 3D để tạo ra mô hình máy hoạt động thực tế. Dù còn một số điểm cần hoàn thiện về tính cân đối trong bố cục các chương và đánh giá định lượng năng suất thực nghiệm, đồ án là một công trình kỹ thuật hoàn chỉnh, đáp ứng tốt chuẩn đầu ra của chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy.