Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm, đem lại hiệu quả cao.

• Tác giả: Thạch Ngọc Phú
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm

Công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm là một phương pháp tiên tiến, sử dụng sóng siêu âm để cắt các loại thực phẩm, đặc biệt hiệu quả với những thực phẩm có tính chất cứng, giòn, mềm, dẻo hoặc dễ bám dính. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm so với cắt truyền thống, như vết cắt sạch, giảm thiểu tổn thất thực phẩm và hạn chế bám dính. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt là cơ sở để thiết kế và chế tạo khuôn cắt (sonotrode), đồng thời xác định các thông số công nghệ tối ưu.

1.1. Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm

Công nghệ siêu âm đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến công nghiệp. Trong lĩnh vực thực phẩm, cắt bằng siêu âm được áp dụng từ những năm 1990, đặc biệt hiệu quả với các loại bánh kẹo, rau quả và thực phẩm cao cấp. Phương pháp này sử dụng dao cắt được cấp nguồn siêu âm, dao động với tần số cao, giảm ma sát và áp lực cắt, giúp quá trình cắt diễn ra dễ dàng hơn.

1.2. Tình hình nghiên cứu

Trên thế giới, công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1990, với các nghiên cứu tiên phong của Merkulov về lý thuyết thiết kế khuôn cắt. Tại Việt Nam, công nghệ này còn khá mới mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu. Tuy nhiên, một số công ty như Vietsonic đã bắt đầu ứng dụng phương pháp này trong sản xuất.

II. Cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm

Sóng siêu âm được định nghĩa là sóng âm thanh có tần số lớn hơn 20 kHz, vượt quá ngưỡng nghe của con người. Trong công nghệ cắt thực phẩm, sóng siêu âm được sử dụng để truyền năng lượng đến vật liệu cần cắt thông qua bộ chuyển đổi, chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ. Lý thuyết sóng siêu âm là nền tảng để thiết kế các thiết bị cắt, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong quá trình cắt.

2.1. Định nghĩa và bản chất sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số từ 20 kHz trở lên, được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và y học. Bản chất của sóng siêu âm là sự dao động của các phân tử trong môi trường vật chất, tạo ra năng lượng truyền qua vật liệu. Trong công nghệ cắt, sóng siêu âm giúp giảm ma sát và áp lực cắt, tạo ra vết cắt sạch và chính xác.

2.2. Các thông số cắt siêu âm

Các thông số công nghệ quan trọng trong quá trình cắt bằng siêu âm bao gồm tần số siêu âm, biên độ dao động, áp lực cắt và tốc độ cắt. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chất lượng của quá trình cắt. Việc tối ưu hóa các thông số này là mục tiêu chính của nghiên cứu, nhằm đạt được hiệu suất cắt cao nhất.

III. Thiết kế và mô phỏng khuôn cắt

Thiết kế khuôn cắt (sonotrode) là bước quan trọng trong quá trình ứng dụng công nghệ cắt bằng siêu âm. Khuôn cắt được thiết kế để truyền sóng siêu âm một cách hiệu quả, đảm bảo dao động ổn định và phân bố đều trên bề mặt cắt. Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus được sử dụng để phân tích quá trình truyền sóng và dao động trong khuôn cắt, giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hiệu quả cắt.

3.1. Mô phỏng hệ siêu âm

Phần mềm Abaqus được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền sóng siêu âm trong khuôn cắt. Mô hình mô phỏng bao gồm các thành phần chính như bộ chuyển đổi, khuôn cắt và vật liệu cắt. Kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số dao động, phân bố ứng suất và chuyển vị trong khuôn cắt, từ đó tối ưu hóa thiết kế.

3.2. Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm

Dựa trên kết quả mô phỏng, khuôn cắt được chế tạo từ các vật liệu như thép và nhôm. Quá trình chế tạo đảm bảo độ chính xác và độ bền của khuôn cắt, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật. Khuôn cắt sau khi chế tạo được thử nghiệm trên các loại thực phẩm khác nhau để đánh giá hiệu quả và độ chính xác.

IV. Thực nghiệm và kết quả

Thực nghiệm cắt thực phẩm được tiến hành để đánh giá hiệu quả của công nghệ cắt bằng siêu âm. Các loại thực phẩm như bánh bông lan, bánh mì và xúc xích được cắt bằng khuôn cắt thử nghiệm. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm mang lại vết cắt sạch, giảm thiểu tổn thất thực phẩm và hạn chế bám dính. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định dựa trên kết quả thực nghiệm.

4.1. Thử nghiệm trên các loại thực phẩm

Các loại thực phẩm như bánh bông lan, bánh mì và xúc xích được cắt bằng khuôn cắt thử nghiệm. Kết quả cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm mang lại vết cắt sạch, không làm biến dạng thực phẩm và giảm thiểu tổn thất. Đặc biệt, với các thực phẩm dễ bám dính, phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn so với cắt truyền thống.

4.2. Đánh giá hiệu suất cắt

Hiệu suất cắt được đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ chính xác của vết cắt, tổn thất thực phẩm và thời gian cắt. Kết quả cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm đạt hiệu suất cao, đặc biệt với các thực phẩm có tính chất phức tạp. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định, làm cơ sở cho việc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA KHOA CO KHI BO MON CHE TAO MAY 000 NGHIEN CUU ANH HUONG CUA CAC THONG SO CONG NGHE TRONG QUA TRINH CAT THUC PHAM UNG DUNG SIEU AM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã ngành: 60520103 LUẬN VAN THẠC SĨ TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016 GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải | HVTH: Thach Ngọc Phu Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: Ts. Nguyễn Thanh Hải Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. Phan Đình Huấn Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.

Phạm Sơn Minh Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai Học Bach Khoa, DHQG-TP. HCM ngày 08 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Phan Dinh Huan 2. Lê Thanh Danh 5.

Lưu Phương Minh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ TS. Lưu Phương Minh PGS. Nguyễn Hữu Lộc GVHD: 7S.

Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thach Ngọc Phu ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hanh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Thạch Ngọc Phú MSHV: 13040395 Ngày, tháng, năm sinh: 02-04-1989 Nơi sinh: Trà Vĩnh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 60520103 IL. TÊN DE TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực pham ứng dụng siêu âm. NHIEM VU VÀ NỘI DUNG: 1. Mô phỏng hệ siêu âm khuôn cat bang phần mềm Abaqus 2.

Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm 3. Thực nghiệm cắt một số thực phẩm 4. Đưa ra một số thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm Ill. NGÀY GIAO NHIỆM VU: 11-01-2016 IV.

NGAY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 17-06-2016 V. CAN BO HUONG DAN: TS. Nguyễn Thanh Hải Tp. HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TS.

Nguyễn Thanh Hải TS. Trần Nguyễn Duy Phương TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) PGS. Nguyễn Hữu Lộc GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thach Ngọc Phu LƠI CAM ƠN Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thay Nguyễn Thanh Hải, luận văn này sẽ không được hoàn thành nếu không có sự hướng dan tận tình của Thay, Thay đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên cứu, thực nghiệm cũng như tháo gỡ các khúc mắc mà tôi gặp phải trong quá trình thực hiện luận văn.

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân của mình, họ luôn là động lực để tôi phân đấu trong cuộc sống cũng như trong việc học tập, nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, học viên cao học đã trải qua khó khăn, vui buôn trong suôt thời gian học cao học. Tôi xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2016 Thạch Ngọc Phú GVHD: 7S.

Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thach Ngọc Phu TOM TAT Cắt thực phẩm ứng dung siêu âm là một ứng dung mới sử dung công nghệ siêu âm giúp đem lại lợi ích tốt hon so với cắt theo phương pháp truyền thống, đặc biệt đối với một số thực phẩm khó cắt vì chúng có tính chất cứng, gion, mềm, déo, dễ bám dính.thì phương pháp này áp dụng càng hiệu quả hơn. Nghiên cứu này tập trung nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới quá trình cat, dé làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo thử nghiệm khuôn cắt (sonotrode), đồng thời sẽ đưa ra thông số công nghệ hợp lý cho phương pháp cat thực phẩm ứng dụng siêu âm. Từ khóa: khuôn cắt, siêu âm, ABSTRACT Ultrasonic food cutting is new application using ultrasonic technology in order to bring better benefits compare to the conventional method. Especially for some foods which difficult to cut because of its hard, easy stick,.so this method could be more efficient.

This research focus on cutting parameters which could effect during cutting process. This result is fundamental for designing and making prototype of sonotrode, also provide technological parameters for food cutting technology. Keywords: sonotrode, ultrasonic, GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải | HVTH: Thach Ngọc Phu LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIÁ Các nghiên cứu của tôi được phân tích dựa trên việc tham khảo một sô tài liệu, luận văn, bài báo đã thực hiện.

Các phân tích, đánh giá và trích xuất dữ liệu là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bat cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về luận văn của tôi. Tác giả Thạch Ngọc Phú GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thach Ngọc Phu MỤC LỤC I_ TÔNG QUAN.

QC TT TH ng KT HT TT TH TT HT re nưyu 11 1.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu AMI.2 — Tinh hình nghiên Cu .1 NghiÊn cứu trong nu .2 Nghiên cứu trên thé GiGi icc cccecsccscesssessscescscscesssssseevecesevscnees 12 1.3 Ứng dụng của công nghệ cắt siêu âm .4 Lý do chọn để tải:.-- SG ch HT TH HH TH ng ng ưu 15 1.5 Mục tiêu của luận Van oo.6 Ý nghĩa và đóng góp của dé tài:.1 Khoa HOC? eee eee ceeecceeeceeesccescccscceessceesccsesccsesssescssesseueceusesss 16 1.2 Thực tigi: ese ceceeecseseessessseeseeecseseeereseesceeenesucseseeseeaeseaeeeeeeeneeeeesenee 16 2 CO SO LY THUYET wo.1 Lý thuyết sóng siêu Am: .- k1 nề HT ng ri 17 2.1 Định nghĩa sóng siêu Âm: .2 Ban chất sóng âm:. Gv ng nưyn 18 2.3 Các đại lượng đặc trung?.4 Phan loại sóng AM? .5 _ Tính chất vật ly của sóng âm và siêu âm.--- se sex csrsed 20 2.6 Nguồn phát siêu âm.- - tt v1 E1 ng niệu 22 2.2 Cau tạo và nguyên lý cắt thực phẩm băng siêu âm.3 Các thông số cat siêu âm.--G- Gv S1 1S HT ng ngư 28 2. TT n ng HT n TH HH TH niệu 28 2.2 _ Tân số siêu âm f (KHHZ).--- G- EkSx E1 SE về cv tre ưyg 29 2. - c1 TS TT HT ng niệu 29 GVHD: 7S.

Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thach Ngọc Phu 2.--c- + x91 E1 vn ng nưyg 29 3. QUÁ TRÌNH THIET KE VA MÔ PHONG KHUÔN CẮTT.1 Cơ sở thiẾt kẾ.1 Sóng doc truyền qua thanh trụ thang [I].2 _ Sóng truyền qua chỉ tiết có biên dạng không đồng nhất.2 Lua chọn vật liệu cho khuôn cắt.- ¿22c ke E23 ES3 S828 E2 E+E se Esssd 34 3. Mô hinh phân tử hữu han FEM (Finite Element Modelling).4 _ Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn Cat .- -- + 6xx EsE + EeEseeevserxei 36 3.1 Giới thiệu phần mềm ABAQUS.- 2 SE SE eEseseeersed 36 3.2 Giới thiệu mô hình bộ siêu âm và khuôn cắt .3 Định nghĩa vật liệu cho các chỉ tiết của mô hình trong Abaqus:.4 Tao lưới mô phỏng cho mô hình .5 _ Thiết lập trạng thái (analysis step) trong Abaqus cho mô hình.6 _ Thiết lập tương tác giữa các chỉ tiết với nhau.7 Gan điều kiện biên (boundary condition$).8 Áp đặt lực cho bài toán (lOađS). ác SE net rerưyg 51 3.9 _ Kết quả mô phỏng: vec ceccecssecescssscescesscessecsceevscsecevacscecsceesscneeesas 52 3.10 Khảo sát hệ siêu âm với khuôn cắt băng nhôm.

the 71 4 _ QUÁ TRINH CHE TAO VÀ THU NGHIỆM KHUÔN CẮT.1 Chế tạo khuôn cắt bằng thép .---- - ket SE SE SE rersed 72 4.2 Chế tạo khuôn cắt bằng nhôm.3 Thử nghiệm khuôn cắt.--G- - tk k3 EE Sư ng sec 75 4.1 Cắt bánh choCOpie.-c- G111 ST TT HT ng niệu 76 4.2 _ Cắt bánh mi không .-- SG kx S1 SE về HT ng rgưyg 77 GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thach Ngọc Phu 4.3 Cắt bánh bông lan. St k1 E1 ng ru 78 4.4 Các thực phẩm khác. c1 E1 vn ng rvgeryg 79 4.LL c SH SnSH ThS HH1 H111 0101011101121 HH nưàg 80 5 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ.- -- E221 SE SE SE EEv xxrxrrưy 80 5.1 Luận văn đã giải quyết được các van dé Sau:.

SH s1 HT TH HT TH TT TT HH TH gu 81 GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 5 HVTH: Thach Ngọc Phu Danh sách hình vé Hình 1.1: Cắt bánh bông lan bang dao siêu âm [§].2: Hệ thông cắt bánh tự động bang cánh tay robot của Abrigo.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh bông lan cua hãng Bakon.4: Máy cat sandwich của hãng Döinghaus. --- 6 xxx sec se cecee 14 Hình 1.5: Các loại bánh kẹo cat bằng siêu âm [6 ].----- - 56+ + sx£+e+xc£sesecse 15 Hình 2.1: Các vùng tần số của sóng AM [9].2: Biểu đỗ biểu diễn dao động của sóng âm [6]. ee cccccccceceeeeseececceeceeeeeesececeeeeeaeeees 19 Hình 2.4: Dao động của tinh thé thạch anh [6].---- 5 + + SE £E+E+e££+ezecsz 22 Hình 2.5: Hiện tượng piezo-electric [9].6: Hiện tượng tty Ø1ảO.

TQ S9 1111101 100 111111111111 111v xế 23 Hình 2.7: Các bộ phận chính của hệ thống cắt siêu âm [8].8: Bộ phát cao tần [6]. - -- - E3 3911 E1 cv yrreg 25 Hình 2.9: Bộ chuyền đổi siêu âm [6].-- -:-G- k SE EEkEsE#vekEskekeerseeeree 26 Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6].11: Các loại khuôn cắt siêu âm trong thực phẩm [6].12: So sánh quá trình cat vật liệu xốp trường hợp có và không có siêu âm 27 Hình 2.13: Các thông số cắt siêu âm. -- ©- xxx SE SE se ceg 28 Hình 2.14: So sánh lực sử dụng trong quá trình cắt không có và có siêu âm [3].15: Sơ đồ hệ thống cắt siêu âm [3] .-- - - s2 E+E£vEsE£E£EsEekeeeeeeeese 29 Hình 3.1: Sóng doc trên thanh trụ thắng đồng nhất [1].-- cece eee eeeeeeeee 30 Hình 3.2: Miêu tả sự phân phối ứng suất của khuôn có biên dạng đối xứng tâm.3: Hình dạng sóng truyền qua các biên dạng khác nhau .4: Lưu đồ mô phỏng trong AbaqU§. Nguyễn Thanh Hải 6 HVTH: Thach Ngọc Phu Hình 3.5: Mô hình mô phỏng khuôn cắt.--- 2-2 + E2 k+E£#EEeE+E+E+EEeEerrereei 38 Hình 3.6: Mô hình mô phỏng khuôn cắt.7: Định nghĩa vật liệu thép trong ABAQUS.8: Tạo hướng dao động cho vật liệu piezoelectric trong Abaqus.9: Dinh dang phan tử cho các chỉ tiết (ngoại trừ đĩa ceramie).10: Dinh dạng phan tử cho đĩa piezo ceraImic.--¿- ¿+ s+s+s£ec+zzezee 45 Hình 3.11: Mô hình sau khi đã được chia TưƯỚi.12: Tạo các trạng thái trong AbaQqus.13: Tương tác giữa bulong và đầu transducer.----s-s + +s+sxsc+z+ezee 48 Hình 3.14: Định nghĩa 2 kiểu tương tác gồm general contact và frictionless.15: Tạo module tương tac cho mô hình.16: Gan điều kiện biên cho đĩa piezo ceraimic.

5s s se ssxsecse 50 Hình 3.17: Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng.--¿- 6+2 sex csz 50 Hình 3.18: Không chế 6 bật tự do của boosfer. ¿ác ta nan na se set sseessed S1 Hình 3.19: Khai báo lực bulong ở trạng thai tĩnh cho bài toán.20: Mode dao động doc trục ở tan số tir 19162-20700 (Hz).21: Mode dao động xoắn ở tan số 26687-28731 (Hz).22: Mode dao động phức hop ở tan số 20733-24215 (Hz).