Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nước sạch đóng vai trò thiết yếu đối với sự sống của mọi sinh vật, trong đó cơ thể sinh vật chứa từ 60% đến 90% là nước. Trung bình mỗi người trên Trái Đất tiêu thụ lượng nước rất lớn trong suốt vòng đời, tuy nhiên nguồn nước ngọt phục vụ trực tiếp cho con người chỉ chiếm khoảng 0,003% tổng lượng nước trên toàn cầu. Tại Việt Nam, theo số liệu từ Viện Y học lao động và Vệ sinh môi trường, có khoảng 17,2 triệu người (tương đương 21,5% dân số) sử dụng nguồn nước giếng khoan chưa qua kiểm định hoặc xử lý đạt chuẩn. Ô nhiễm nguồn nước gia tăng do sự phát triển công nghiệp đã thúc đẩy nhu cầu sử dụng nước uống đóng chai, đóng bình tiệt trùng trong sinh hoạt gia đình, công sở và trường học.

Trong dây chuyền sản xuất nước đóng bình dung tích lớn (loại bình 20 lít), hai công đoạn làm sạch vỏ bình và đóng nắp chiết rót là những khâu then chốt, đòi hỏi nghiêm ngặt về an toàn vệ sinh thực phẩm nhằm loại bỏ các tạp chất, vi khuẩn gây hại (như E. coli) và kim loại nặng. Quy trình thủ công truyền thống tốn nhiều nhân công, chi phí cao và khó đảm bảo tính đồng đều về mặt vệ sinh. Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy tự động làm sạch, chiết rót và đóng nắp bình 20 lít được đặt ra nhằm tối ưu hóa năng suất và giảm chi phí sản xuất.

Đề tài xác định các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Xác định phương pháp làm sạch tối ưu kết hợp giữa cơ học và xử lý hóa chất (sử dụng dung dịch Clo và nước tinh khiết áp lực cao).
  2. Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí tự động gồm cụm chuyển động gián đoạn, hệ thống băng tải kéo xích, cụm vòi phun rửa áp lực, cụm chiết rót và cơ cấu đóng nắp bình.
  3. Chế tạo mô hình thực nghiệm và vận hành thử nghiệm tại cơ sở sản xuất nước uống đóng chai Daisuki.
  4. Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật: xử lý vỏ bình tiêu chuẩn 20 lít, đạt năng suất thiết kế tối thiểu 300 bình/giờ (năng suất tính toán chu kỳ đạt 598 bình/giờ), vận hành tự động liên tục.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đối tượng vỏ bình nước dung tích 20 lít (chiều cao 50 cm, đường kính thân 30 cm, đường kính cổ bình 103 mm, chiều cao cổ bình 40 mm, khối lượng vỏ rỗng 0,2 kg). Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài ứng dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết về tự động hóa, kỹ thuật truyền động cơ khí, thủy lực - khí nén và hóa học xử lý nước:

  • Lý thuyết điều khiển và tự động hóa: Khái niệm hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop) và vòng kín (closed-loop) với tín hiệu phản hồi (feedback). Phân tích ưu điểm của tự động hóa trong việc nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm và tối ưu hóa chi phí vận hành.
  • Cơ chế khử trùng bằng Clo: Clo ($Cl_2$) là chất oxy hóa mạnh, khi hòa tan trong nước xảy ra phản ứng thủy phân: $$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HOCl + HCl$$ và phân ly: $$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons 2H^+ + OCl^- + Cl^-$$ Hiệu quả diệt khuẩn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng axit hypoclorơ ($HOCl$) không phân ly. Tỷ lệ tạo thành $HOCl$ phụ thuộc chặt chẽ vào độ pH của môi trường: ở pH = 6, $HOCl$ chiếm 99,5%; ở pH = 7, $HOCl$ chiếm 79%; ở pH = 8, $HOCl$ giảm xuống còn 25% (khi đó ion $OCl^-$ chiếm 75%). Mối quan hệ giữa nồng độ chất khử trùng ($C$), thời gian tiếp xúc ($t$) và hằng số quá trình ($K$) được biểu diễn qua phương trình động học: $C^n \cdot t = K$.
  • Động học cơ cấu chuyển động gián đoạn (Geneva drive / Maltese cross): Ứng dụng cơ cấu chữ thập Malta nhằm biến chuyển động quay liên tục từ động cơ thành chuyển động quay gián đoạn cho hệ thống đĩa chia và băng tải. Mối quan hệ giữa số rãnh trên đĩa bị dẫn ($Z$), hệ số truyền động ($k$), thời gian quay ($t_1$) và thời gian dừng ($t_2$) tuân theo các biểu thức động học: $$\frac{t_2}{t_1} = k = \frac{Z - 2}{Z + 2}$$ Góc quay của đĩa bị dẫn giữa hai lần chuyển bước là $2\varphi_2 = \frac{360^\circ}{Z}$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết động học, truyền động cơ khí (bộ truyền xích, trục, then, ổ lăn), mô phỏng lựa chọn phương án và chế tạo thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai

Quá trình lựa chọn phương án thiết kế hệ thống được nhóm tác giả phân tích và đánh giá qua các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế:

Cụm cơ cấu Phương án cân nhắc Ưu điểm Nhược điểm Phương án được chọn
Nguyên lý bố trí dây chuyền - PA1: Dây chuyền tự động hóa thẳng đứng
- PA2: Dây chuyền dạng vòng khép kín nhỏ gọn
- PA1: Tự động hóa cao
- PA2: Dễ chế tạo, chi phí thấp, phù hợp không gian hẹp
- PA1: Khó gia công, chi phí cao, khó rửa đáy bình
- PA2: Cần cơ cấu khắc phục rửa cổ bình
Phương án 2
Cơ cấu tạo chuyển động gián đoạn - PA1: Động cơ điện + Cảm biến quang
- PA2: Động cơ bước (Stepper motor)
- PA3: Động cơ giảm tốc + Cơ cấu Man (Geneva)
- PA1: Dễ lắp ráp, chính xác
- PA2: Độ chính xác rất cao
- PA3: Độ bền cao, kết cấu cơ khí chính xác, chi phí thấp
- PA1: Cảm biến dễ hỏng do môi trường ẩm ướt
- PA2: Giá thành cao, mô-men xoắn nhỏ
- PA3: Tính toán hình học phức tạp
Phương án 3 (Cơ cấu Man 6 rãnh)
Vật liệu đồ gá định vị bình - PA1: Thép không gỉ (SUS 304)
- PA2: Nhựa Polypropylene (PP)
- PA1: Bền, chịu lực lớn, không gỉ
- PA2: Nhẹ, rẻ, dễ gia công, dễ thay thế
- PA1: Nặng, chi phí cao, gia công khó
- PA2: Chịu tải trọng giới hạn
Phương án 2 (Nhựa PP)
Động cơ siết / đóng nắp bình - PA1: Động cơ điện
- PA2: Động cơ khí nén (Air motor)
- PA1: Giá thành thấp, kết cấu gọn
- PA2: An toàn cháy nổ, dễ chỉnh lực siết qua áp suất khí
- PA1: Nguy cơ chập điện trong môi trường nước
- PA2: Chi phí ban đầu cao hơn
Phương án 2 (Động cơ khí nén)

Thông số tính toán thiết kế chi tiết:

  1. Hệ thống băng tải xích:

    • Chiều rộng băng tải: 200 mm; Chiều dài nhịp: $L = 2$ m; Vận tốc băng tải: $v = 0,17$ m/s.
    • Xích tải: Sử dụng xích con lăn bước xích $p = 19,05$ mm. Khoảng cách giữa các trạm gá bình: 18 bước xích (tương đương 342,9 mm).
    • Đĩa xích dẫn động: Số răng $z = 50$, đường kính vòng chia $d_a = 303,4$ mm, đường kính đỉnh răng $d_e = 313$ mm.
    • Khoảng cách trục băng tải: $a = 1581,06$ mm; Chiều dài vòng xích: $l = 4114,8$ mm với tổng số mắt xích làm việc là 216 (tổng số mắt xích chuỗi chọn là 276).
    • Lực kéo băng tải: Lực căng nhánh dẫn $F_1 = 176,87$ N (gồm lực căng do lực ly tâm $F_v = 0,05$ N và lực căng do trọng lượng xích $F_0 = 176,82$ N); lực căng ban đầu chọn $F_2 = 200$ N.
    • Lực kéo danh nghĩa: $F_k = 2 \cdot F_1 = 400$ N.
  2. Tính chọn công suất động cơ:

    • Công suất trên trục băng tải: $$P_t = \frac{F_k \cdot v}{1000} = \frac{400 \cdot 0,17}{1000} = 0,068 \text{ kW} = 68 \text{ W}$$
    • Hiệu suất truyền động tổng: $\eta = \eta_{hgt} \cdot \eta_{x}^2 \cdot \eta_{ol}^2 \cdot \eta_{malt} = 0,9 \cdot (0,93)^2 \cdot (0,99)^2 \cdot 0,93 \approx 0,71$.
    • Công suất cần thiết trên trục động cơ: $$P_{ct} = \frac{P_t}{\eta} = \frac{68}{0,71} = 95,77 \text{ W}$$
    • Động cơ điện được chọn: Model 4AA56A4Y3, công suất định mức $P = 120$ W, tốc độ quay $n = 1380$ vòng/phút.
  3. Tính toán động học cơ cấu Man (Geneva):

    • Chu kỳ làm việc: Thời gian xịt rửa/chiết rót tại mỗi trạm dừng là $t_1 = 6$ giây; thời gian chuyển bước của băng tải là $t_2 = 2$ giây.
    • Tỷ số thời gian: $k = \frac{t_2}{t_1} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}$.
    • Số rãnh trên đĩa Man bị dẫn: $Z = 6$, góc lệch giữa hai rãnh liên tiếp là $\varphi = 60^\circ$.
    • Tốc độ quay trục dẫn cơ cấu Man: $n_1 = \frac{60}{t_1} = 10$ vòng/phút.
    • Tốc độ quay trục bị dẫn: $n_2 = n_1 \cdot \frac{1}{6} = 1,67$ vòng/phút.
  4. Hệ thống rửa và chiết rót:

    • Quy trình rửa 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 phun rửa bằng nước chứa Clo khử trùng; Giai đoạn 2 phun rửa làm sạch bằng nước máy (nước thủy cục); Giai đoạn 3 tráng lại hoàn toàn bằng nước tinh khiết trước khi chiết rót.
    • Cơ cấu chiết rót và đóng nắp sử dụng hệ thống xi lanh khí nén kết hợp hàn gá TIG cố định giá đỡ, đầu vặn nắp dẫn động bằng mô tơ khí nén chống rò rỉ điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung (Introduction)

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm nguồn nước và nhu cầu tiêu thụ nước uống đóng bình 20 lít tại Việt Nam. Phân tích tiêu chuẩn quản lý chất lượng nước uống đóng chai gồm 14 chỉ tiêu hóa lý vi sinh và 28 chỉ tiêu nước sau lọc theo quy định của Bộ Y tế. Phân tích các mối nguy vi sinh (đặc biệt là vi khuẩn E. coli) và kim loại nặng nếu quy trình rửa và đóng nắp không đảm bảo vệ sinh. Xác định yêu cầu nhiệm vụ thiết kế máy: công suất 300 bình/giờ, tự động hóa các khâu, lập tập bản vẽ kỹ thuật, chế tạo máy và viết tài liệu hướng dẫn vận hành.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tổng quan (Background)

Chương 2 tổng hợp các lý thuyết nền tảng phục vụ thiết kế:

  • Tổng quan về công nghệ tự động hóa, cấu trúc điều khiển vòng hở và vòng kín, vai trò của điều khiển phản hồi.
  • Tính chất vật lý, hóa học của Clo; các phương trình phản ứng khử trùng nước; ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và thời gian tiếp xúc đến nồng độ Clo hoạt tính. Bảng thông số nồng độ Clo dư tối thiểu theo độ pH:
Độ pH môi trường Clo tự do dư sau 10 phút tiếp xúc (mg/l) Cloramin hoạt tính kết hợp sau 60 phút (mg/l)
6 – 7 0,2 1,0
7 – 8 0,2 1,5
8 – 9 0,4 1,8
9 – 10 0,8 -
> 10 Không khuyến cáo -
  • Lịch sử, nguyên lý động học và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chuyển động gián đoạn Geneva (bộ truyền Maltese cross), so sánh giữa cơ cấu Geneva ngoài và Geneva trong.

Chương 3: Định hướng và giải pháp thiết kế (Orientation and Solutions)

Nội dung chương tập trung so sánh, phân tích các giải pháp kỹ thuật:

  • Lựa chọn nguyên lý bố trí hệ thống băng tải cấp phôi và rửa bình.
  • Lựa chọn cơ cấu tạo chuyển động gián đoạn: đánh giá giữa động cơ điện kèm cảm biến quang, động cơ bước và động cơ giảm tốc kéo cơ cấu Man.
  • Lựa chọn vật liệu làm đồ gá kẹp bình giữa Inox SUS 304 và nhựa PP.
  • Lựa chọn cơ cấu siết nắp bình giữa động cơ điện và động cơ khí nén.
  • Xây dựng quy trình các bước tiến hành dự án từ khảo sát giá vật tư, thiết kế bản vẽ chi tiết, lập bảng dự toán, gia công chế tạo đến thử nghiệm.

Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống (Calculation and Design)

Chương 4 thực hiện toàn bộ các bước tính toán cơ học:

  • Xác định thông số ban đầu của bình 20L và quy trình dịch chuyển bước (bước dịch chuyển 342,9 mm trong 2 giây, thời gian dừng rửa 6 giây).
  • Tính toán động học và động lực học băng tải xích: lực căng xích $F_1 = 176,87$ N, lực kéo $F_k = 400$ N, công suất kéo $P_t = 68$ W.
  • Tính chọn động cơ điện: chọn động cơ 4AA56A4Y3 công suất 120 W, tốc độ 1380 vòng/phút.
  • Tính toán thông số hình học đĩa xích ($z = 50$, $d_a = 303,4$ mm, $d_e = 313$ mm) và kết cấu trục băng tải.
  • Thiết kế động học cơ cấu Man 6 rãnh, phân phối tỷ số truyền cho bộ truyền xích cấp 1 ($i_{x1} = 3$, $z_1 = 15$) và bộ truyền xích cấp 2, xác định mô-men xoắn và tải trọng trên các trục.

Chương 5: Thiết lập và chế tạo thực nghiệm (Experimental Setup)

Trình bày quy trình chế tạo cơ khí và lắp ráp hoàn thiện máy:

  • Gia công chế tạo khung sườn máy, đĩa chia Man 6 rãnh và cơ cấu dẫn động.
  • Lắp ráp hệ thống vòi phun rửa áp lực cao cả bên trong lẫn bên ngoài bình.
  • Lắp ráp cụm piston - xi lanh kéo đẩy bằng phương pháp hàn TIG để định vị cụm siết nắp.
  • Lắp đặt hệ thống đường ống cấp nước Clo, nước máy và nước tinh khiết cùng hệ thống van điều khiển khí nén.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị (Conclusions and Suggestions)

Tổng kết kết quả thực hiện đề tài về khả năng làm việc của máy rửa bình và máy đóng nắp; đánh giá các ưu điểm về tiết kiệm năng lượng, giải phóng sức lao động và kiến nghị cải tiến kết cấu trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy tự động làm sạch và đóng nắp bình nước 20 lít hoạt động đồng bộ.
    • Hệ thống chu kỳ làm việc thực tế: thời gian rửa/chiết rót mỗi nhịp là 6 giây, thời gian chuyển vị trí bình là 2 giây; năng suất tính toán đạt 598 bình/giờ, vượt chỉ tiêu ban đầu đặt ra là 300 bình/giờ.
    • Cơ cấu Man 6 rãnh hoạt động êm, chuyển động dừng chính xác tại các trạm vòi phun áp lực và trạm đóng nắp.
    • Hệ thống xịt rửa 3 bước (nước Clo, nước máy, nước tinh khiết) xử lý sạch cặn bẩn cả mặt trong và mặt ngoài bình.
  • Ứng dụng thực tiễn: Hệ thống máy sau khi chế tạo đã được đưa vào vận hành thử nghiệm tại nhà máy sản xuất nước uống Daisuki (Daisuki water factory), mang lại hiệu quả về năng suất và tiết kiệm điện năng.
  • Đóng góp của đề tài: Cung cấp phương án thiết kế cơ cấu chuyển động gián đoạn thuần cơ khí (cơ cấu Man) kết hợp khí nén có độ bền cao, không bị ảnh hưởng bởi môi trường ẩm ướt như các cảm biến quang học, giúp hạ giá thành chế tạo máy đóng bình tự động phù hợp với các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Kết cấu cơ cấu Man đòi hỏi độ chính xác gia công cơ khí cao, khó điều chỉnh linh hoạt chu kỳ thời gian dừng/chạy một khi các kích thước hình học đĩa rãnh đã được gia công cố định.
    • Việc vệ sinh khu vực cổ bình ở một số góc hẹp cần tiếp tục được tối ưu hóa góc phun của vòi xịt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu cải tiến hệ thống cấp nắp tự động với phễu rung định hướng nắp bình trước khi đưa vào đầu siết.
    • Tích hợp thêm bộ điều khiển lập trình PLC nhằm nâng cao khả năng giám sát trạng thái và phối hợp linh hoạt giữa cụm chiết rót định lượng và cụm rửa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên và kỹ sư các ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp:

  • Tính toán truyền động cơ khí: Cung cấp các bước tính toán chi tiết động lực học băng tải xích, tính chọn công suất động cơ giảm tốc và thiết kế hình học cơ cấu chữ thập Malta (Geneva drive).
  • Ứng dụng công nghệ xử lý nước: Cung cấp số liệu kỹ thuật về cơ chế diệt khuẩn của Clo theo pH và nồng độ làm việc trong dây chuyền đóng chai công nghiệp.
  • Thiết kế máy chuyên dụng: Đóng vai trò là mô hình mẫu để thiết kế các hệ thống chiết rót, rửa chai lọ tự động cho ngành thực phẩm và đồ uống.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cơ cấu Man (Geneva drive) thay vì dùng động cơ kết hợp cảm biến quang để tạo chuyển động gián đoạn?
Môi trường rửa bình có độ ẩm rất cao và nhiều tia nước bắn tóe, khiến các cảm biến quang học dễ bị ẩm mòn, bám bẩn hoặc chập cháy dẫn đến dừng máy bất ngờ. Cơ cấu Man là giải pháp thuần cơ khí, hoạt động chính xác, tuổi thọ cao, chịu ẩm ướt tốt và có chi phí chế tạo thấp hơn.

2. Quy trình làm sạch vỏ bình trong máy gồm những giai đoạn nào?
Bình được cố định trên giá gá bằng nhựa PP và đi qua 3 giai đoạn phun rửa áp lực cao cả bên trong lẫn bên ngoài: (1) Rửa khử trùng bằng dung dịch nước có pha Clo, (2) Rửa sạch cặn bẩn và hóa chất bằng nước máy, (3) Tráng sạch hoàn toàn bằng nước tinh khiết trước khi đưa sang cụm chiết rót.

3. Động cơ điện và thông số bộ truyền chính của hệ thống được lựa chọn như thế nào?
Hệ thống sử dụng động cơ điện 3 pha model 4AA56A4Y3 có công suất 120 W, tốc độ 1380 vòng/phút. Qua hộp giảm tốc và bộ truyền xích sơ cấp ($i_{x1} = 3$, đĩa xích dẫn $z_1 = 15$), tốc độ trục dẫn cơ cấu Man đạt $n_1 = 10$ vòng/phút, dẫn động cơ cấu Man 6 rãnh đưa tốc độ trục bị dẫn về $n_2 = 1,67$ vòng/phút, kéo băng tải xích bước $p = 19,05$ mm với đĩa xích $z = 50$ răng.

4. Năng suất làm việc thực tế của hệ thống là bao nhiêu?
Theo tính toán chu kỳ làm việc (thời gian rửa/dừng là 6 giây, thời gian dịch chuyển giữa các trạm là 2 giây), hệ thống đạt năng suất lý thuyết 598 bình/giờ, đáp ứng và vượt mức chỉ tiêu trách nhiệm đề ra ban đầu là 300 bình/giờ.

5. Vì sao cơ cấu siết nắp bình lại sử dụng động cơ khí nén thay vì động cơ điện?
Động cơ khí nén loại bỏ hoàn toàn nguy cơ rò rỉ điện hoặc cháy nổ trong môi trường tiếp xúc liên tục với nước, đồng thời cho phép điều chỉnh lực siết nắp bình một cách linh hoạt và chính xác thông qua việc tăng giảm áp suất khí cấp vào.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy tự động làm sạch và nạp nước 20 lít" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa hai khâu then chốt trong dây chuyền sản xuất nước đóng bình. Bằng việc kết hợp cơ cấu chuyển động gián đoạn Geneva 6 rãnh với hệ thống xịt rửa áp lực cao 3 cấp và cơ cấu đóng nắp khí nén, máy đạt năng suất tính toán 598 bình/giờ với chi phí chế tạo tối ưu. Mô hình đã được thử nghiệm thực tế thành công tại nhà máy nước Daisuki, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của giải pháp kỹ thuật đã đề xuất.