Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và dịch vụ cung ứng suất ăn công nghiệp, nhu cầu tiêu thụ trứng gia cầm hàng năm chiếm tỷ trọng rất lớn, đặc biệt là trứng gà và trứng cút. Theo số liệu thống kê từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn được trích dẫn trong đồ án, tính đến tháng 12/2023, tổng đàn gia cầm tại Việt Nam đạt gần 559 triệu con (tăng 3,3% so với năm 2022), với tổng sản lượng trứng ước tính đạt 19,22 tỷ quả (tăng 5,2% so với cùng kỳ năm 2022).

Mặc dù nhu cầu tiêu thụ rất cao, công đoạn bóc và tách vỏ trứng tại nhiều cơ sở chế biến vẫn phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp thủ công. Thao tác thủ công bộc lộ nhiều hạn chế như năng suất lao động thấp, tiêu tốn nhiều thời gian, chi phí nhân công cao và khó kiểm soát các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Các dòng máy bóc vỏ trứng hiện có trên thị trường hầu hết chỉ được thiết kế chuyên dụng cho một loại trứng duy nhất (máy bóc trứng gà riêng hoặc máy bóc trứng cút riêng). Thực tế này buộc các cơ sở sản xuất phải đầu tư hai hệ thống thiết bị độc lập, làm tăng kinh phí đầu tư ban đầu và chiếm dụng diện tích mặt bằng nhà xưởng.

Đề tài tốt nghiệp mã số CKM-164 với tên gọi "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy tách tích hợp vỏ trứng gà và trứng cút" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện nhằm giải quyết bài toán tích hợp công nghệ bóc tách hai loại trứng trên cùng một kết cấu máy.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu bóc tách vỏ trứng gà và trứng cút hiện có trên thị trường.
  2. Tính toán động học, động lực học và thiết kế mô phỏng các cụm chi tiết của hệ thống máy tích hợp.
  3. Gia công, chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy thực tế kết hợp hệ thống cấp nước và cấp phôi.
  4. Vận hành thực nghiệm, đánh giá các thông số kỹ thuật về năng suất (đạt mục tiêu thiết kế 7000 trứng/giờ) và tỷ lệ thành phẩm (đạt 99% không làm vỡ trứng).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu bóc tách vỏ trứng gia cầm (trứng gà và trứng cút), nguyên lý lực ma sát và động học truyền động trục.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo cụm cơ cấu bóc tách vỏ, cụm vít tải dẫn hướng, cơ cấu cấp trứng và hệ thống cấp nước rửa tự động vận hành trong điều kiện xưởng thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết tính toán thiết kế máy, chi tiết máy và cơ sở sinh học của trứng gia cầm. Về mặt sinh học, tác giả phân tích các thông số hình học và cấu trúc của hai đối tượng gia công:

Chỉ tiêu đặc tính Trứng gà Trứng cút
Kích thước trung bình Đường kính: 55 mm; Chiều dài: 65 mm Đường kính: 20–26 mm; Chiều dài: 31–34 mm
Khối lượng trung bình ~50–60 g ~9 g
Giá trị dinh dưỡng 166 kcal, 14,8 g protein, 11,5 g chất béo 14 kcal, 1,2 g protein, 1,0 g chất béo
Cấu trúc vỏ và màng Vỏ canxi cacbonat ($CaCO_3$), màng ngoài, màng trong (keratin), buồng khí, lòng trắng (albumen), chalaza, màng vitelline, lòng đỏ Vỏ mỏng có đốm sắc tố, màng vỏ dai, buồng khí nhỏ
Quy trình luộc chuẩn bị Luộc chín định hình lòng đỏ Luộc 10–16 phút, ngâm nước 15 phút, đập dập vỏ

Về mặt nguyên lý cơ học, khóa luận tiến hành phân tích và so sánh ba phương án công nghệ tách vỏ trứng:

Phương án công nghệ Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá lựa chọn
Phương án dùng lực rung Sử dụng lực rung cưỡng bức làm nứt vỏ và bong khỏi lòng trắng Kết cấu cơ khí đơn giản, chế tạo dễ dàng, hiệu quả với trứng gà/vịt Dễ vỡ trứng nếu biên độ rung lớn, không hiệu quả đối với trứng cút Không chọn
Phương án dùng lực ma sát Sử dụng con lăn/trục ma sát quay ngược chiều cọ xát và kéo rách vỏ Ít làm vỡ trứng, làm việc êm, xử lý được nhiều loại kích thước trứng Cần hệ thống truyền động đồng bộ và cấp nước bôi trơn Được chọn
Phương án dùng lực ly tâm Dùng lực ly tâm đẩy trứng va đập vào bề mặt cong định hình Năng suất bóc tách cao, xử lý số lượng lớn đồng thời Kết cấu phức tạp, yêu cầu công suất động cơ lớn, khó kiểm soát độ nứt Không chọn

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế:

  • Phương pháp tính toán động học và động lực học: Áp dụng các công thức tính toán truyền động trục vít, bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng và kiểm nghiệm độ bền trục theo giáo trình Chi tiết máy.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Ứng dụng quy trình bố trí thí nghiệm (Taguchi/Response Surface Methodology) và phân tích phương sai (ANOVA) nhằm khảo sát, xác định khoảng cách trục tối ưu cho từng loại trứng dựa trên tỷ lệ bóc thành công.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập qua các lần chạy thử máy tại xưởng với các mẫu thử 20 quả cho từng mức khoảng cách trục; số liệu tra cứu tiêu chuẩn từ sổ tay thiết kế cơ khí và số liệu ngành nông nghiệp từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy tách tích hợp được cấu thành từ các cụm kết cấu cơ khí chính:

  1. Cụm trục bóc tách ma sát:

    • Gồm hai trục thép không gỉ Inox 304 đường kính 7 mm và 10 mm, chiều dài làm việc 498 mm.
    • Bề mặt trục được bọc ống cao su/silicon mềm (đường kính trong 8–10 mm, đường kính ngoài 10–14 mm) nhằm tạo hệ số ma sát cao tiếp xúc tiếp tuyến với bề mặt quả trứng, giúp kẹp xé màng vỏ mà không làm dập nát phần lòng trắng.
    • Hai trục ma sát ăn khớp với nhau qua cặp bánh răng trụ tỷ số truyền $u=1$ để quay ngược chiều nhau.

  2. Cụm trục vít tải dẫn hướng:

    • Trục vít có đường kính ngoài 50 mm, bước vít $S = 50\text{ mm}$ (dành cho khoang trứng cút) và $S = 76\text{ mm}$ (dành cho khoang trứng gà).
    • Nhiệm vụ vừa đỡ trứng trong quá trình bóc, vừa tịnh tiến quả trứng dọc theo chiều dài trục ma sát từ đầu nạp đến cửa xả thành phẩm.

  3. Hệ thống dẫn động và truyền động:

    • Động cơ điện xoay chiều 1 pha model 4IK25GN-SW2L, công suất định mức 25 W, điện áp 220 V, tốc độ trục sơ cấp 1600 vòng/phút, kết hợp hộp giảm tốc 4GN30KF.
    • Tốc độ quay của trục vít tải sau giảm tốc đạt xấp xỉ 72 vòng/phút.
    • Bộ truyền đai đồng bộ: Sử dụng dây đai răng STD 207-S3M cho cơ cấu trứng cút và STD 228-S3M cho cơ cấu trứng gà; kết hợp puly đai nhôm GT2 loại 60 răng và 10 răng, tạo tỷ số truyền $u_t \approx 4$, dẫn động trục ma sát quay với tốc độ 232–288 vòng/phút.

  4. Hệ thống cấp nước và khung vỏ:

    • Hệ thống ống cấp nước mềm $\phi 21$, van gạt đồng $\phi 21$ và giàn phun nước trực tiếp lên bề mặt các trục nhằm cuốn trôi vỏ trứng đã bóc xuống máng thu, đồng thời giảm nhiệt ma sát.
    • Khung máy gia công bằng nhựa kỹ thuật PE chống mài mòn; các chi tiết khay chứa, khay dẫn trứng, máng gom vỏ và bu lông ốc vít đều sử dụng vật liệu Inox 304 đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc cơ giới hóa khâu bóc tách vỏ trứng trong chế biến thực phẩm. Tác giả nêu rõ thực trạng sản lượng trứng gia cầm tại Việt Nam năm 2023 đạt 19,22 tỷ quả và phân tích hạn chế của các dòng máy đơn năng hiện hành. Chương này xác định ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng lực ma sát ngược chiều tiếp tuyến, ý nghĩa thực tiễn về tiết kiệm mặt bằng và chi phí đầu tư máy, đồng thời xác lập mục tiêu thiết kế máy tích hợp đạt năng suất cao.

Chương II: Tổng quan

Chương II tập trung phân loại các hệ thống máy bóc vỏ trứng trên thị trường thành ba nhóm: máy công nghiệp, máy bán công nghiệp và máy mini. Tiếp đó, tác giả phân tích chi tiết cấu tạo giải phẫu và thành phần sinh hóa của trứng gà (đường kính 55 mm, dài 65 mm) và trứng cút (rộng 23–26 mm, dài 31–34 mm). Chương này cũng trình bày kỹ thuật luộc trứng tiêu chuẩn (luộc 10–16 phút với muối, khuấy đều định tâm lòng đỏ, ngâm nước lạnh 15 phút) nhằm tạo điều kiện tối ưu cho quá trình bóc vỏ cơ học.

Chương III: Phương hướng, giải pháp thực hiện, đề xuất công nghệ

Chương III phân tích ba phương án công nghệ: lực rung, lực ma sát và lực ly tâm. Tác giả lựa chọn nguyên lý kết hợp lực quán tính và lực ma sát giữa hai trục bọc silicon quay ngược chiều. Yêu cầu kỹ thuật đặt ra gồm: năng suất thiết kế 7000 trứng/giờ, tỷ lệ bóc sạch vỏ 99%, không làm vỡ nát trứng, tích hợp hệ thống phun nước tự động. Toàn bộ vật liệu chế tạo tiếp xúc với thực phẩm được lựa chọn là Inox 304 và nhựa PE, silicon thực phẩm.

Chương IV: Tính toán thiết kế máy

Chương IV trình bày các bước tính toán động học và động lực học chi tiết cho hai phân hệ máy:

  • Tính toán cho phân hệ trứng cút: Năng suất yêu cầu 3500 trứng/h (tương đương 45 kg/h). Với đường kính vít tải $D = 0,05\text{ m}$, bước vít $S = 0,05\text{ m}$, khối lượng riêng vật liệu $\rho = 1,076$, tính ra số vòng quay trục vít $n \approx 72\text{ vòng/phút}$. Công suất yêu cầu trên trục vít $P = 6,5\text{ W}$, công suất động cơ cần thiết $P_{đc} = 7,2\text{ W}$. Chọn động cơ 25 W. Bộ truyền đai STD 207-S3M có đường kính bánh đai $d_1 = 13\text{ mm}$, $d_2 = 50\text{ mm}$, tỷ số truyền $u_t = 4,003$.
  • Tính toán cho phân hệ trứng gà: Năng suất yêu cầu 3500 trứng/h (45 kg/h). Bước vít tải $S = 0,076\text{ m}$, đường kính $D = 0,05\text{ m}$. Số vòng quay trục vít $n \approx 72\text{ vòng/phút}$, công suất trục $P = 13\text{ W}$, chọn động cơ 25 W. Dây đai sử dụng mã STD 228-S3M, chiều dài đai tính toán $L = 215,7\text{ mm}$ (chọn tiêu chuẩn $L = 228\text{ mm}$), bánh đai $d_1 = 20\text{ mm}$, $d_2 = 49\text{ mm}$.
  • Quy hoạch thực nghiệm: Trình bày 7 bước chuẩn hóa phương pháp Taguchi/RSM và phân tích ANOVA để tối ưu hóa thông số khoảng cách trục.

Chương V: Tính toán thiết kế trục

Nội dung chương V tập trung vào việc tính toán ứng suất, mô men xoắn và kiểm nghiệm độ bền mỏi, độ cứng vững cho trục ma sát và trục vít tải Inox 304 dưới tác dụng của lực bóc tách và lực căng đai. Chương này cũng trình bày bản vẽ kết cấu chi tiết gối đỡ nhựa, thân bồn chứa nước, khung đế chịu lực và kiểm tra độ bền cơ học của bồn chứa nước rửa.

Chương VI: Chế tạo, thực nghiệm, đánh giá và kết luận

Chương cuối cùng mô tả quy trình chế tạo thực tế tại xưởng: phay gối đỡ trục vít, tiện trục ma sát Inox, lắp ống bọc silicon và ống Teflon, gia công khung đế nhựa PE, lắp ráp động cơ và hệ thống đường ống nước $\phi 21$. Tác giả trình bày kết quả chạy thử nghiệm kiểm tra khoảng cách trục, đánh giá ưu nhược điểm của máy, đề xuất hướng phát triển và kết luận về mức độ hoàn thành nhiệm vụ đồ án.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Khóa luận đã chế tạo thành công mô hình máy thực tế và tiến hành thực nghiệm xác định khoảng cách giữa trục vít tải và trục ma sát cuốn vỏ. Kết quả thử nghiệm trên mẫu 20 quả cho từng mức khoảng cách được ghi nhận như sau:

1. Kết quả thử nghiệm khoảng cách trục đối với trứng cút:

  • Khoảng cách 35 mm: Tỷ lệ bóc thành công 5/20 quả.
  • Khoảng cách 40 mm: Tỷ lệ bóc thành công 7/20 quả.
  • Khoảng cách 45 mm: Tỷ lệ bóc thành công 9/20 quả.
  • Khoảng cách 50 mm: Tỷ lệ bóc thành công 19/20 quả (đạt tỷ lệ 95%).
  • Kết luận chọn thông số: Khoảng cách trục tối ưu cho trứng cút là 50 mm.

2. Kết quả thử nghiệm khoảng cách trục đối với trứng gà:

  • Khoảng cách 70 mm: Tỷ lệ bóc thành công 5/20 quả.
  • Khoảng cách 72 mm: Tỷ lệ bóc thành công 7/20 quả.
  • Khoảng cách 74 mm: Tỷ lệ bóc thành công 9/20 quả.
  • Khoảng cách 76 mm: Tỷ lệ bóc thành công 19/20 quả (đạt tỷ lệ 95%).
  • Khoảng cách 78 mm: Tỷ lệ thành công giảm xuống 6/20 quả do khoảng cách quá lớn làm trứng bị lọt qua khe giữa hai trục.
  • Kết luận chọn thông số: Khoảng cách trục tối ưu cho trứng gà là 76 mm.

Thông số kỹ thuật tổng hợp của máy

Hạng mục thông số Phân hệ tách trứng cút Phân hệ tách trứng gà
Năng suất thiết kế 3500 trứng/giờ 3500 trứng/giờ
Động cơ dẫn động 4IK25GN-SW2L (25 W, 220 V) 4IK25GN-SW2L (25 W, 220 V)
Tốc độ trục vít tải 72 vòng/phút 72 vòng/phút
Tốc độ trục ma sát 288 vòng/phút 232 vòng/phút
Loại dây đai truyền động STD 207-S3M STD 228-S3M
Puly truyền động GT2 (nhôm, 60 răng / 10 răng) GT2 (nhôm, 60 răng / 10 răng)
Khoảng cách trục tối ưu 50 mm 76 mm
Vật liệu chế tạo chính Inox 304, nhựa PE, ống silicon Inox 304, nhựa PE, ống silicon

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Giải pháp công nghệ: Tích hợp thành công hai cơ chế bóc tách trứng cút và trứng gà trên cùng một thân máy thống nhất, sử dụng chung nguồn cấp nước và nguyên lý dẫn động trục ma sát ngược chiều kết hợp trục vít tải định lượng.
  • Đóng góp thực tiễn: Giúp các cơ sở sản xuất giảm chi phí mua sắm thiết bị (thay vì phải mua hai máy riêng biệt), tiết kiệm đáng kể không gian bố trí nhà xưởng, vận hành êm ái, giảm thiểu tiếng ồn và tiết kiệm nước nhờ hệ thống van điều chỉnh đồng bộ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế và hướng phát triển kỹ thuật dựa trên kết quả thực nghiệm:

  • Hạn chế:
    • Quy trình vận hành chưa hoàn toàn tự động khâu đập dập vỏ; trước khi đưa vào khay nạp phôi, trứng luộc vẫn cần thao tác đập dập vỏ sơ bộ bằng tay hoặc dụng cụ phụ trợ.
    • Tỷ lệ thành phẩm thực nghiệm đạt 19/20 (95%), vẫn còn tỷ lệ nhỏ bị sót vỏ hoặc trầy xước nhẹ nếu kích thước trứng sai lệch quá lớn so với dải chuẩn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thiết kế tích hợp thêm cụm cơ cấu đập dập vỏ trứng tự động đặt phía trước khay cấp phôi để tạo thành dây chuyền khép kín từ khâu nạp trứng nguyên quả đến bóc vỏ.
    • Mở rộng ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi hoặc bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp phần mềm Minitab/Python để tối ưu hóa đa mục tiêu (tốc độ vòng quay, lưu lượng nước xối, độ dày ống silicon).
    • Nghiên cứu cơ cấu tự động điều chỉnh khoảng cách trục linh hoạt để thích ứng với các dải kích thước trứng gia cầm khác như trứng vịt.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử: Cung cấp quy trình tính toán thiết kế máy chế biến thực phẩm hoàn chỉnh từ lý thuyết động học, chọn động cơ, tính toán bộ truyền đai/bánh răng đến kiểm nghiệm độ bền trục.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị chế biến thực phẩm: Tham khảo giải pháp kết cấu tích hợp 2 trong 1, phương pháp lựa chọn vật liệu đạt chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm (Inox 304, nhựa PE, cao su silicon) và kết cấu hệ thống cấp xả nước rửa vỏ.
  • Các nghiên cứu ứng dụng quy hoạch thực nghiệm: Cung cấp phương pháp luận và dữ liệu thực tế về tối ưu hóa thông số hình học (khoảng cách trục) dựa trên khảo sát thực nghiệm cơ học.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy sử dụng nguyên lý nào để bóc tách vỏ trứng mà không làm vỡ lòng trắng?
Máy sử dụng nguyên lý lực ma sát tiếp tuyến kết hợp lực quán tính. Hai trục inox được bọc ống cao su/silicon mềm quay ngược chiều nhau tạo lực kéo tiếp tuyến lên bề mặt quả trứng, làm rách màng vỏ và cuốn vỏ trứng xuống phía dưới mà không tác động lực nén vuông góc quá lớn gây vỡ lòng trắng.

2. Khoảng cách giữa các trục được xác định là bao nhiêu để đạt hiệu quả bóc vỏ cao nhất?
Qua thực nghiệm với mẫu thử 20 quả ở nhiều mức kích thước, khoảng cách trục tối ưu được xác định là 50 mm đối với phân hệ tách trứng cút và 76 mm đối với phân hệ tách trứng gà. Ở khoảng cách 78 mm đối với trứng gà, trứng sẽ bị lọt qua khe hở giữa các trục.

3. Động cơ và hệ thống truyền động của máy được chọn với thông số kỹ thuật như thế nào?
Hệ thống sử dụng động cơ giảm tốc xoay chiều 1 pha model 4IK25GN-SW2L công suất 25 W, điện áp 220 V, tốc độ 1600 vòng/phút, kết hợp hộp giảm tốc 4GN30KF đưa tốc độ trục vít tải về 72 vòng/phút. Trục ma sát được dẫn động qua puly đai nhôm GT2 và dây đai răng STD 207-S3M (trứng cút) hoặc STD 228-S3M (trứng gà) với tỷ số truyền $u_t \approx 4$, đạt tốc độ quay từ 232 đến 288 vòng/phút.

4. Những vật liệu nào được lựa chọn để đảm bảo yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm?
Toàn bộ các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với trứng và nước rửa gồm trục ma sát, khay nạp trứng, khay dẫn hướng, bu lông ốc vít và máng hứng đều sử dụng thép không gỉ Inox 304. Khung đế máy được gia công từ nhựa PE chống mài mòn, gối đỡ dùng nhựa kỹ thuật/Teflon và bề mặt trục ma sát bọc ống silicon mềm đạt chuẩn dùng cho thực phẩm.

5. Năng suất và tỷ lệ bóc vỏ thành phẩm của máy đạt được là bao nhiêu?
Năng suất tính toán thiết kế của hệ thống đạt 7000 trứng/giờ (trong đó phân hệ trứng cút đạt 3500 trứng/giờ và phân hệ trứng gà đạt 3500 trứng/giờ). Trong các bài kiểm nghiệm thực tế tại xưởng với khoảng cách trục tối ưu, tỷ lệ bóc sạch vỏ thành công đạt 19/20 quả (tương đương 95%).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy tách tích hợp vỏ trứng gà và trứng cút" đã giải quyết thành công bài toán tích hợp công nghệ bóc tách hai loại trứng gia cầm có kích thước khác biệt trên cùng một hệ thống thiết bị cơ khí. Bằng việc kết hợp cơ cấu trục ma sát bọc silicon quay ngược chiều và trục vít tải định lượng dẫn hướng, nhóm tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy vận hành ổn định với động cơ 25 W và hệ thống cấp nước tự động. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng về khoảng cách trục (50 mm cho trứng cút, 76 mm cho trứng gà) và đóng góp một giải pháp thiết bị hữu ích, tiết kiệm chi phí cho các cơ sở chế biến thực phẩm.