Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và dịch vụ ăn uống quy mô lớn, gạo là nguồn lương thực thiết yếu phục vụ cho các bếp ăn công nghiệp cũng như các cơ sở sản xuất bún, phở, bánh canh và bánh tráng. Tại Việt Nam, nhu cầu làm sạch gạo từ vài tạ đến vài tấn mỗi giờ là một thách thức lớn trong khâu sơ chế.

Phương pháp vo gạo thủ công bộc lộ nhiều hạn chế: năng suất thấp, tốn nhiều nhân công, chi phí vận hành cao, diện tích mặt bằng sử dụng lớn (cần nhiều chậu, rổ) và chất lượng làm sạch không đồng đều. Về mặt năng suất, trung bình một nhân công mất khoảng 60 phút để xử lý 100 kg gạo theo phương thức thủ công, trong khi thiết bị cơ giới hóa có thể hoàn thành khối lượng tương đương trong 10 phút. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và hợp đồng chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp sản xuất, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy vo gạo” được thực hiện nhằm cơ giới hóa và tự động hóa khâu làm sạch gạo với năng suất 0,6 tấn/giờ (600 kg/h).

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm 4 nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và khảo sát các dòng máy vo gạo hiện có trên thị trường.
  2. Nghiên cứu chế tạo máy vo gạo tự động đạt năng suất 600 kg/h, đảm bảo chất lượng làm sạch, tính thẩm mỹ và tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm.
  3. Đề xuất phương án thiết kế sản phẩm phù hợp với nhu cầu sản xuất, chế biến thực tế của doanh nghiệp.
  4. Gia công, chế tạo mô hình thực tế theo phương án thiết kế và tiến hành thử nghiệm kiểm chứng năng suất làm việc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hạt gạo nguyên liệu (khảo sát đặc tính hình học, phân loại theo TCVN 5643:1999, thành phần dinh dưỡng và cơ chế làm sạch hạt gạo qua ma sát dòng chảy).
  • Đối tượng phục vụ và ứng dụng: Các cơ sở cung cấp suất ăn công nghiệp và các doanh nghiệp chế biến thực phẩm từ gạo (bún tươi, phở, bánh canh...).
  • Phạm vi triển khai: Đề tài được thiết kế, gia công chế tạo và chạy thực nghiệm tại xưởng cơ khí, có sự phối hợp và tiếp nhận chuyển giao công nghệ từ Công ty TNHH Giải pháp Công nghiệp Codia (TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào các đặc tính sinh học, cơ lý của nguyên liệu hạt gạo và động lực học chất lỏng trong quá trình làm sạch:

  • Phân loại và tính chất hạt gạo: Phân loại giống lúa và gạo theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5643:1999 (hạt rất dài > 7 mm, hạt dài 6–7 mm, hạt ngắn < 6 mm); khảo sát các giống lúa phổ biến như Gạo Một Bụi (4–5 tấn/ha), Gạo Tài Nguyên (3,5–4 tấn/ha), Gạo Nàng Thơm Chợ Đào (2–3 tấn/ha), Gạo Nàng Nhen, Gạo Hoa Lài.
  • Dữ liệu thành phần dinh dưỡng hạt gạo: Phân tích hàm lượng dinh dưỡng trong khẩu phần 100g đối với gạo trắng thô, gạo trắng bổ sung vi chất và gạo lứt (gạo nâu) làm cơ sở tính toán tránh làm hao hụt dinh dưỡng hay nứt vỡ trong quá trình cơ học:
Thành phần dinh dưỡng (trong 100g) Gạo trắng thô Gạo trắng bổ sung chất Gạo nâu (gạo lứt)
Năng lượng (Calo) 123 123 111
Đạm (Protein) 2,9 g 2,9 g 2,6 g
Tinh bột (Carbohydrate) 30 g 26 g 23 g
Chất béo (Fat) 0,4 g 0,4 g 0,9 g
Chất xơ (Fiber) 0,9 g 0,9 g 1,8 g
Vitamin & Khoáng chất tiêu biểu Mangan (18%), Niacin (12%) Folate (20%), Sắt (10%) Mangan (45%), Magie (11%)
  • Cơ sở tính toán chi tiết máy: Áp dụng các công thức tính toán cơ học lý thuyết và chi tiết máy để tính công suất động cơ, kiểm nghiệm khớp nối, tính toán trục chịu tải trọng uốn - xoắn kết hợp, tính hệ số an toàn ứng suất pháp/ứng suất tiếp, chọn và kiểm nghiệm khả năng tải động/tải tĩnh của ổ lăn.
  • Khảo sát sản phẩm thương mại tương đương: Khảo sát thông số kỹ thuật của hai mẫu máy trên thị trường:
Thông số Máy vo gạo công nghiệp DF-50-A Máy vo gạo Vinayaga
Xuất xứ Trung Quốc Ấn Độ
Kích thước (mm) Ø550 x 450 x 900 Ø550 x 450 x 900
Vật liệu chế tạo Thép / Hợp kim tiêu chuẩn Inox 304
Dung tích bồn (kg) 50 25
Năng suất làm việc (kg/h) 20 – 80 20 – 40
Áp suất / Trọng lượng Áp suất: 1,5 kg/cm² Trọng lượng: 65 kg

Phương pháp nghiên cứu thực tế được áp dụng bao gồm:

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập và đối sánh các nguyên lý làm sạch gạo bằng cơ cấu khuấy trộn cơ học, cơ cấu bơm áp lực và cơ cấu kết hợp.
  2. Phương pháp thiết kế mô hình hóa CAD: Ứng dụng phần mềm SolidWorks 2020 để dựng mô hình 3D tổng thể, tối ưu hóa hình học bồn chứa, kết cấu khung đỡ và xuất bản vẽ kỹ thuật 2D phục vụ gia công.
  3. Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Gia công cắt laser kim loại tấm, dập chấn, cán cong bồn chứa, hàn TIG inox 304 và lắp ráp hệ thống dẫn động, điện động cơ.
  4. Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Vận hành máy với các mức tải trọng gạo tăng dần (20 kg, 40 kg, 60 kg, 80 kg, 100 kg), ghi nhận thời gian cấp nước, thời gian bơm đẩy, thời gian xả nước và đánh giá độ sạch, tỷ lệ gãy vỡ hạt.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

Nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá 3 phương án công nghệ làm sạch gạo nhằm chọn phương án tối ưu:

Tiêu chí Phương án 1: Cơ cấu khuấy trộn Phương án 2: Cơ cấu bơm đẩy (Được chọn) Phương án 3: Kết hợp bơm và đảo
Nguyên lý hoạt động Cấp nước vào silo, trục cánh khuấy đảo trộn gạo, sau đó xả nước bẩn. Máy bơm hút hỗn hợp gạo - nước từ ngăn thô đẩy qua đường ống sang ngăn sạch. Bơm nước tuần hoàn kết hợp đảo sục trong silo, tách nước qua máng xoay.
Ưu điểm Silo chứa lớn; xả trực tiếp ra khay hứng. Cấu tạo gọn; tận dụng ma sát thủy lực trong ống; dễ vận hành và bảo trì. Khả năng sục rửa sâu; tự động hóa khâu tách nước.
Nhược điểm Cần động cơ công suất lớn; dễ phân tầng làm sạch không đều; nguy cơ gãy hạt. Cần bố trí hộp che chắn động cơ để đảm bảo an toàn điện và thẩm mỹ. Cấu tạo phức tạp; chiếm diện tích lớn; chi phí chế tạo cao.

Lựa chọn kết cấu chi tiết:

  • Phương pháp làm sạch: Lựa chọn Phương án 2 (Bơm đẩy). Ma sát giữa các hạt gạo chuyển động cùng dòng nước trong lòng ống giúp đánh bật cám và bụi bẩn mà không gây vỡ nát hạt gạo.
  • Vật liệu bồn chứa: Lựa chọn Inox 304 tấm (độ dày từ 1 mm) thay vì thép CT3 nhằm chống rỉ sét, kháng ăn mòn trong môi trường nước liên tục, đáp ứng yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm.
  • Kết cấu đáy bồn chứa: Lựa chọn dạng đáy uốn cong (cung tròn) thay vì đáy vát 5° hay vát nghiêng một phía. Kết cấu cung tròn giúp giảm số lượng đường hàn, tiết kiệm chi phí dập chấn, nâng cao tính thẩm mỹ và hạn chế hiện tượng gạo bị đọng ở các góc chết.
  • Khung đỡ máy: Lựa chọn khung thép hộp vuông Inox 30×30 mm dày 1,5 mm hàn cố định trực tiếp vào thân bồn để đảm bảo độ cứng vững, triệt tiêu rung lắc trong quá trình động cơ bơm hoạt động.
  • Cánh bơm: Khảo sát và lựa chọn dạng cánh bơm ly tâm hở một phía/cánh trục vít giúp vận chuyển hỗn hợp chất lỏng - hạt rắn trơn tru, không gây tắc nghẽn và không làm đọng cặn hạt gạo.

Các cụm chức năng chính và quy trình hoạt động

  1. Bồn chứa hai ngăn: Được phân chia thành ngăn chứa gạo thô và ngăn chứa gạo sạch thông qua một vách ngăn dạng lưới inox đột lỗ.
  2. Cụm máy bơm và đường ống: Máy bơm ly tâm chuyên dụng kết nối với ống hút đáy ngăn gạo thô và ống xả dẫn sang ngăn gạo sạch.
  3. Hộp bảo vệ và hệ thống điện: Động cơ được che chắn bằng hộp kim loại cách ly nước; sơ đồ đấu nối tụ điện và công tắc vận hành đảm bảo an toàn chống rò rỉ điện.
  4. Cụm van xả nước: Van xả đáy giúp tháo toàn bộ nước bẩn sau chu trình vo và giữ lại phần gạo đã làm sạch bên trong bồn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình sản xuất, chế biến lúa gạo trên phạm vi toàn cầu và tại Việt Nam. Nêu bật vai trò của các sản phẩm chế biến từ gạo trong ngành thực phẩm. Trình bày lý do thực hiện đề tài nhằm chuyển giao cho Công ty TNHH Giải pháp Công nghiệp Codia. Xác định rõ mục tiêu chế tạo máy vo gạo 0,6 tấn/h, đối tượng phục vụ (suất ăn công nghiệp, xưởng bún phở), phạm vi nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và kế hoạch triển khai đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở khoa học về cây lúa, cấu trúc hạt gạo, bảng phân loại các giống lúa đặc trưng tại Việt Nam và tiêu chuẩn kích thước TCVN 5643:1999. Tổng hợp bảng thành phần dinh dưỡng của gạo trắng thô, gạo bổ sung chất và gạo lứt. Khảo sát nguồn tài nguyên nước và tính chất hóa lý của nước dùng trong sơ chế thực phẩm. Trình bày quy trình vo gạo thủ công truyền thống và phân tích dữ liệu kỹ thuật của các dòng máy vo gạo thương mại hiện có (DF-50-A của Trung Quốc và Vinayaga của Ấn Độ).

Chương 3: Phương án thiết kế

Chương 3 nêu chi tiết các yêu cầu kỹ thuật từ phía doanh nghiệp đối tác (kích thước gọn, an toàn điện, vật liệu Inox 304, năng suất 600 kg/h). Thiết lập sơ đồ nguyên lý làm việc tổng thể của máy. Tiến hành phân tích, so sánh ưu nhược điểm của 3 phương án làm sạch (cơ cấu khuấy trộn, cơ cấu bơm đẩy, cơ cấu kết hợp). Phân tích lựa chọn các phương án kết cấu: vật liệu bồn (Inox 304 vs CT3), hình dạng đáy bồn (đáy vát 5°, đáy vát một phía, đáy cung tròn), kết cấu chân đế (chân rời vs chân cố định hộp 30x30 mm) và các dạng cánh quạt bơm ly tâm.

Chương 4: Tính toán và kiểm nghiệm

Chương 4 thực hiện toàn bộ các bước tính toán động học và động lực học cơ khí:

  • Tính toán chọn công suất và tốc độ quay của động cơ điện dẫn động cụm bơm.
  • Tính toán mô-men xoắn, kích thước và kiểm nghiệm độ bền của khớp nối trục.
  • Tính toán thiết kế trục bơm: xác định lực tác dụng, vẽ biểu đồ nội lực (mô-men uốn, mô-men xoắn), xác định đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm, kiểm nghiệm trục theo độ bền mỏi và hệ số an toàn ứng suất.
  • Kiểm nghiệm và chọn then bằng, chọn ổ lăn đỡ trục bơm dựa trên khả năng tải động $C$ và tải tĩnh $C_0$.
  • Tính toán thủy lực: xác định thể tích thân bơm, thể tích các đoạn ống nối, lượng nước tối thiểu trong bồn chứa, tính thời gian cấp nước, thời gian bơm đẩy gạo và thời gian xả nước vo.

Chương 5: Chế tạo và thử nghiệm máy

Chương 5 mô tả quy trình công nghệ gia công thực tế: chế tạo cụm máy bơm, cắt chấn và hàn TIG bồn chứa Inox 304, gia công vách ngăn lưới, chế tạo ống xả, hoàn thiện hộp che động cơ. Trình bày sơ đồ đấu nối mạch điện vận hành động cơ và tụ điện. Trình bày quá trình chạy thực nghiệm tại xưởng với các mẻ gạo 20 kg, 40 kg, 60 kg, 80 kg và 100 kg; đo đạc các thông số thời gian, độ sạch của nước sau vo và tình trạng nguyên vẹn của hạt gạo.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế, gia công và thử nghiệm thực tế của mô hình máy vo gạo. Đánh giá mức độ đáp ứng mục tiêu ban đầu về năng suất 600 kg/h và an toàn vệ sinh thực phẩm. Nêu các mặt tồn tại cần cải tiến và đề xuất phương hướng phát triển hệ thống tự động hóa xả gạo cho các phiên bản tiếp theo.


Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật thực nghiệm

Thiết bị được chế tạo hoàn chỉnh và vận hành thử nghiệm trực tiếp tại xưởng với các thông số đạt được:

  • Năng suất làm việc: Đạt định mức 0,6 tấn/giờ (tương đương 600 kg gạo/giờ), hoàn thành đúng chỉ tiêu thiết kế ban đầu.
  • Thời gian xử lý mẻ 100 kg: Thời gian bơm và làm sạch 100 kg gạo chỉ mất 10 phút (giảm 6 lần so với thời gian 60 phút của 1 nhân công làm việc thủ công).
  • Kết cấu và an toàn thực phẩm: Bồn chứa và toàn bộ cụm tiếp xúc trực tiếp với gạo được gia công từ Inox 304 chống gỉ sét, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh thực phẩm; khung hộp vuông 30×30 mm dày 1,5 mm giúp hệ thống vận hành êm, không rung lắc.
  • Chất lượng hạt gạo sau vo: Dòng chảy thủy lực trong đường ống tạo ma sát vừa đủ để làm sạch lớp cám và bụi bẩn mà không làm gãy nát hạt gạo; nước thải sau vo được tách riêng biệt qua van xả đáy.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  1. Giải pháp công nghệ phù hợp sản xuất: Cung cấp một phương án thiết kế máy vo gạo năng suất trung bình - cao (600 kg/h) với chi phí chế tạo hợp lý hơn so với việc nhập khẩu các dây chuyền phức tạp.
  2. Chuyển giao công nghệ thực tế: Đề tài được ký hợp đồng nghiên cứu và chuyển giao ứng dụng trực tiếp cho Công ty TNHH Giải pháp Công nghiệp Codia, phục vụ cung ứng thiết bị cho các cơ sở chế biến thực phẩm và bếp ăn công nghiệp.
  3. Đầy đủ hồ sơ tính toán cơ khí: Hoàn thiện trọn bộ tài liệu tính toán sức bền chi tiết máy (trục, then, ổ lăn, khớp nối) và bộ bản vẽ thiết kế 2D/3D phục vụ chế tạo hàng loạt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Tính cơ động: Máy sử dụng hệ khung cố định và động cơ điện gắn liền nên tính cơ động chưa cao, việc di chuyển máy giữa các vị trí khác nhau còn hạn chế.
  • Công đoạn thu hồi gạo sạch: Mặc dù quá trình bơm vo và tách nước diễn ra tự động qua đường ống và van xả, công đoạn lấy gạo sạch ra khỏi ngăn chứa sau khi xả nước vẫn còn thao tác thủ công của người vận hành.
  • Độ phức tạp gia công: Một số chi tiết cánh bơm và ống uốn đòi hỏi kỹ thuật gia công kim loại tấm và hàn TIG chính xác cao để chống rò rỉ nước tuyệt đối.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thiết kế bổ sung cơ cấu lật bồn hoặc vít tải/băng tải tự động xuất gạo sạch ra khay chứa để hoàn thiện chu trình tự động hóa khép kín 100%.
  • Cải tiến, tối ưu hóa hơn nữa biên dạng cánh quạt ly tâm chuyên dụng để giảm thiểu tối đa lực cản thủy lực và bảo toàn hạt gạo trong các điều kiện làm việc liên tục.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển lập trình (PLC/timer) tự động đóng mở van cấp nước và van xả nước theo chu kỳ cài đặt sẵn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Thực phẩm: Tham khảo quy trình thiết kế máy thực phẩm từ khâu khảo sát nguyên liệu, lên phương án công nghệ, mô hình hóa SolidWorks đến quy trình tính toán sức bền chi tiết máy thực tế.
  • Kỹ sư thiết kế máy nông nghiệp và chế biến thực phẩm: Tham khảo trực tiếp phương pháp tính toán kiểm nghiệm trục, khớp nối, chọn ổ lăn và giải pháp kết cấu bồn chứa đáy cong Inox 304, cụm cánh bơm hỗn hợp hạt - lỏng.
  • Doanh nghiệp chế biến thực phẩm: Cung cấp giải pháp cơ giới hóa khâu sơ chế hạt gạo phục vụ các dây chuyền sản xuất bún, bánh phở, bánh canh và suất ăn công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế của máy vo gạo là bao nhiêu và thời gian xử lý mẻ 100 kg gạo mất bao lâu?

Máy được thiết kế và chế tạo đạt năng suất 0,6 tấn/giờ (tương đương 600 kg/h). Khi vận hành thực nghiệm với mẻ 100 kg gạo, máy hoàn thành chu trình làm sạch trong thời gian 10 phút, nhanh hơn gấp 6 lần so với phương pháp thủ công của một nhân công (mất 60 phút cho 100 kg).

2. Vì sao nhóm tác giả chọn phương án bơm đẩy thay vì phương án khuấy trộn bằng cánh đảo?

Phương án khuấy trộn bằng trục cánh đảo trong silo đòi hỏi động cơ công suất rất lớn do phải thắng lực cản của khối hỗn hợp gạo - nước, dễ gây gãy nát hạt gạo do va đập cơ học và dễ xảy ra hiện tượng phân tầng khiến gạo không sạch đều. Phương án bơm đẩy tận dụng chính dòng chảy thủy lực trong lòng ống để tạo ma sát tự nhiên giữa các hạt gạo, giúp làm sạch đều, bảo vệ nguyên vẹn hạt gạo và tiết kiệm năng lượng hơn.

3. Vật liệu và kết cấu hình học nào được chọn cho bồn chứa của máy?

Bồn chứa được chế tạo bằng Inox 304 tấm (độ dày từ 1 mm) để chống rỉ sét và đáp ứng tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm. Phần đáy bồn được thiết kế dạng uốn cong (cung tròn) giúp dòng hỗn hợp gạo - nước dễ dàng chảy dồn về miệng hút của bơm, giảm thiểu số đường hàn ghép nối và không để lại góc chết đọng gạo.

4. Máy phân tách gạo sạch và nước xả bẩn sau khi vo theo cơ chế nào?

Bồn chứa được ngăn đôi thành ngăn gạo thô và ngăn gạo sạch bằng một vách ngăn dạng tấm lưới inox. Gạo và nước từ ngăn thô được máy bơm hút và đẩy qua đường ống dẫn sang ngăn sạch; sau khi quá trình làm sạch hoàn tất, người vận hành mở van xả đáy để toàn bộ nước vo bẩn thoát ra ngoài qua lưới chắn, giữ lại toàn bộ gạo sạch bên trong bồn.

5. Đề tài được hợp tác và chuyển giao công nghệ cho đơn vị nào?

Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn chuyên môn của giảng viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và được ký hợp đồng chuyển giao công nghệ ứng dụng sản xuất trực tiếp cho Công ty TNHH Giải pháp Công nghiệp Codia (địa chỉ tại TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh).


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy vo gạo” đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu từ nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế động lực học đến chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình thực tế. Thiết bị đạt năng suất làm việc 600 kg/h, kết cấu Inox 304 đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và nâng cao hiệu quả sơ chế gấp 6 lần so với phương thức thủ công. Kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng cao, được chuyển giao trực tiếp cho doanh nghiệp sản xuất và cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết cho lĩnh vực tính toán, chế tạo máy chế biến thực phẩm.