Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Máy Cắt Thạch Phô Mai

Nghiên cứu và thiết kế máy cắt thạch phô mai là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp… 112 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM · 2024.

• Tác giả: Vũ Ngọc Thiên Tân
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thị Đăng Thư
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Cắt Thạch Phô Mai
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Tổng quan về máy cắt thạch phô mai trong công nghiệp thực phẩm
• 2.2. Giới thiệu máy cắt thạch phô mai
• 2.3. Nguyên lý hoạt động
• 2.4. Các tính năng chính
• 2.5. Ưu điểm và tiềm năng
• 2.6. Mức độ sử dụng và triển vọng tương lai
• 2.7. Khái niệm về phô mai
• 2.8. Tổng quan nghiên cứu máy cắt thạch phô mai trong và ngoài nước
• 2.8.1. Nghiên cứu trong nước
• 2.8.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Khái quát về một số loại máy bơm thông dụng được sử dụng để thiết kế sản phẩm
• 3.2. Piston khí nén
• 3.3. Cơ cấu tay quay con trượt
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 4.1. Giới thiệu về quy trình tạo thạch phô mai
• 4.2. Sơ đồ khối hoạt động của thiết bị
• 4.3. Các phương án thiết kế
• 4.3.1. Phương án cho cơ cấu bơm để đẩy nguyên liệu
• 4.3.2. Phương án cho cơ cấu cắt
• 4.3.3. Phương án cho cơ cấu sàn và tẩm bột
• 4.3.4. Phương án máy hoàn chỉnh
• 4.4. Nguyên lý hoạt động của máy cắt thạch phô mai
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
• 5.1. Yêu cầu tính toán
• 5.2. Lựa chọn thiết bị
• 5.3. Tính toán cơ cấu tay quay con trượt và công suất động cơ
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO, GIA CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 6.1. Các phương pháp gia công
• 6.2. Thiết kế và lắp cụm ép bằng xylanh
• 6.3. Thiết kế, lắp cụm đựng nhiên liệu đầu vào
• 6.4. Thiết kế, lắp cụm chứa, rây thành phẩm
• 6.5. Thiết kế, lắp phần chân máy
• 6.6. Phần điều khiển
• 6.7. Kết quả chế tạo
• 6.8. Phần thực nghiệm (Ưu tiên làm hạt Ø8)
• 6.8.1. Độ cao của hạt thành phẩm khi cắt và sàng tẩm bột
• 6.8.2. Phần kết quả quá trình tạo thạch sau thực nghiệm với kích thước Ø8
• 6.8.3. Phần công đoạn tiếp theo của quá trình tạo ra sản phẩm thạch phô mai và các ứng dụng của nó
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu và Thiết Kế Máy Cắt Thạch Phô Mai

Nghiên cứu và thiết kế máy cắt thạch phô mai là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Máy cắt thạch phô mai không chỉ giúp tăng năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc tự động hóa quy trình cắt thạch phô mai giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

1.1. Ý nghĩa của máy cắt thạch phô mai trong ngành thực phẩm

Máy cắt thạch phô mai đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất thực phẩm. Nó giúp tạo ra các sản phẩm đồng đều về kích thước và chất lượng, từ đó nâng cao giá trị dinh dưỡng và sự hấp dẫn của món ăn.

1.2. Các loại máy cắt thạch phô mai hiện có

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại máy cắt thạch phô mai, từ máy cắt thủ công đến máy cắt tự động. Mỗi loại máy có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với nhu cầu sản xuất khác nhau.

II. Vấn đề và Thách thức trong Thiết Kế Máy Cắt Thạch Phô Mai

Thiết kế máy cắt thạch phô mai gặp phải nhiều thách thức, bao gồm độ chính xác trong cắt, tốc độ sản xuất và chi phí đầu tư. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả và bền bỉ.

2.1. Độ chính xác trong cắt thạch phô mai

Độ chính xác là yếu tố quan trọng trong thiết kế máy cắt thạch phô mai. Việc cắt không đồng đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và sự hài lòng của khách hàng.

2.2. Tốc độ sản xuất và hiệu suất

Tốc độ sản xuất là một trong những yếu tố quyết định đến năng suất của máy cắt. Cần phải thiết kế máy sao cho có thể đạt được tốc độ cắt tối ưu mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

III. Phương Pháp Thiết Kế Máy Cắt Thạch Phô Mai Hiệu Quả

Để thiết kế máy cắt thạch phô mai hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp kỹ thuật mới sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của máy.

3.1. Nghiên cứu công nghệ cắt hiện đại

Công nghệ cắt hiện đại như cắt bằng laser hoặc cắt bằng dao tự động đang được áp dụng rộng rãi. Những công nghệ này giúp tăng độ chính xác và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

3.2. Tối ưu hóa thiết kế cơ khí

Thiết kế cơ khí của máy cắt cần được tối ưu hóa để đảm bảo tính ổn định và độ bền. Việc sử dụng vật liệu chất lượng cao và thiết kế hợp lý sẽ giúp máy hoạt động hiệu quả hơn.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Máy Cắt Thạch Phô Mai

Máy cắt thạch phô mai có nhiều ứng dụng trong ngành thực phẩm, từ sản xuất đến chế biến. Việc sử dụng máy cắt giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm chi phí lao động.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất thực phẩm

Máy cắt thạch phô mai được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất thực phẩm, giúp tăng năng suất và giảm thời gian sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong chế biến món ăn

Trong các nhà hàng và quán ăn, máy cắt thạch phô mai giúp tạo ra các món ăn hấp dẫn với phô mai được cắt đều và đẹp mắt.

V. Kết Luận và Tương Lai của Máy Cắt Thạch Phô Mai

Máy cắt thạch phô mai không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường thực phẩm. Tương lai của máy cắt thạch phô mai hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và phát triển mới.

5.1. Tiềm năng phát triển công nghệ

Công nghệ máy cắt thạch phô mai sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các giải pháp tự động hóa và công nghệ thông minh, giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

5.2. Hướng đi mới cho ngành công nghiệp thực phẩm

Ngành công nghiệp thực phẩm sẽ ngày càng chú trọng đến việc áp dụng công nghệ mới trong sản xuất, từ đó tạo ra những sản phẩm chất lượng cao và đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và đồ uống hiện đại, thạch phô mai là nguyên liệu dinh dưỡng giàu protein, canxi, chất béo và vitamin, được sử dụng phổ biến làm lớp phủ (topping) trong trà sữa, chè, các món tráng miệng và bánh ngọt. Tại các cơ sở sản xuất và dịch vụ ẩm thực quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam, quy trình sản xuất thạch phô mai truyền thống chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thủ công. Quy trình này trải qua các công đoạn: cho phô mai vào túi nặn định hình, nặn phô mai ra ngoài, dùng dao hoặc sợi chỉ tự chế để cắt từng hạt, đưa qua khay sàng tẩm bột chống dính, tách thủ công các hạt dính chùm và rây lấy thành phẩm.

Phương pháp thủ công tồn tại nhiều hạn chế: năng suất thấp, tốn nhiều thời gian và chi phí nhân công, kích thước các hạt không đồng đều, khó bảo đảm các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về vệ sinh an toàn thực phẩm khi thao tác trực tiếp bằng tay. Nhằm giải quyết các bất cập trên, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy cắt thạch phô mai" (Mã số: CTM-72) được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Đồ án tập trung tự động hóa các khâu ép đùn định hình, cắt hạt và sàng tẩm bột.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được phân định thành ba nội dung chính:

1. Tối ưu hóa hiệu suất cắt: Khảo sát và thiết lập các thông số về tốc độ cắt, độ chính xác kích thước và khả năng thích ứng của hệ thống cắt với đặc tính cơ lý của phô mai nhằm đáp ứng năng suất yêu cầu.
2. Nâng cao tính an toàn lao động: Thiết kế hệ thống cơ - điện che chắn hợp lý, loại trừ nguy cơ tai nạn cơ khí cho người vận hành trong quá trình tiếp xúc và điều khiển máy.
3. Đánh giá chất lượng sản phẩm cắt: Khảo sát độ mịn bề mặt, độ đồng đều về chiều dài, đường kính và hình dạng của hạt thạch phô mai sau khi cắt và sàng tẩm bột.

Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm việc tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D, lựa chọn thiết bị tiêu chuẩn, gia công chế tạo các cụm cơ khí, lắp ráp hệ thống điều khiển điện và tiến hành thực nghiệm cắt hạt trên mô hình thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thạch phô mai nguyên liệu, cơ cấu ép đùn phôi, cơ cấu cắt dạng tay quay con trượt, chất lượng hạt thạch thành phẩm và độ an toàn vận hành.
• Phạm vi nghiên cứu về thông số kỹ thuật: Năng suất thiết kế 100 hạt/phút; tốc độ cắt đạt từ 2 đến 3 hạt/giây; đường kính hạt cắt định hình gồm 3 dải kích thước Ø6 mm, Ø8 mm và Ø10 mm; dung lượng nạp phôi thực nghiệm đạt 2,5 kg/mẻ.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai chế tạo và thử nghiệm tại Xưởng Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 03 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa cơ học máy, kỹ thuật chế tạo cơ khí và quy trình công nghệ chế biến thực phẩm bán rắn.

Cơ sở lý thuyết được tác giả vận dụng gồm:

• Lý thuyết truyền động khí nén và điện cơ: Phân tích cấu tạo và nguyên lý của piston khí nén (gồm đỉnh bằng, lồi, lõm; đầu chứa rãnh xéc-măng; thân dẫn hướng) dạng tác động đơn và tác động kép. Phân tích kết cấu xylanh điện gồm trục vít - đai ốc biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, động cơ điện cấp nguồn, vòng đệm chắn bụi, cơ cấu dẫn hướng chống xoay và ổ bi chịu tải.
• Lý thuyết nguyên lý máy và động lực học cơ cấu: Ứng dụng động học và động lực học cơ cấu tay quay con trượt chính tâm để tính toán vận tốc, gia tốc của điểm đầu dao (điểm M) và xác định lực căng dây cước cắt vật liệu dẻo.
• Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cấu trúc gel, độ đàn hồi, độ nhớt và quy trình công nghệ chế biến phô mai (lên men acid lactic hạ pH đông tụ casein, tách váng sữa, thêm muối, định hình và ủ chín) nhằm xác định chế độ ép đùn và tẩm bột áo chống kết dính phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Phương pháp kế thừa: Khảo sát, phân tích các giải pháp máy cắt thực phẩm thương mại trong và ngoài nước (dòng dao cắt phô mai quay cầm tay Prodyne Thick Beechwood, máy cắt phô mai công nghiệp dạng lưới dây 5-AF, máy cắt servo hai giai đoạn HART HC-2SE) để kế thừa các nguyên lý tạo hình dạng sợi và dây cắt.
• Phương pháp tính toán và thiết kế cơ khí: Vận dụng lý thuyết chi tiết máy và sức bền vật liệu để xác định lực ép đùn phôi, tính chọn công suất động cơ dẫn động cơ cấu cắt và lập mô hình 3D trên phần mềm CAD.
• Phương pháp mô hình hóa động học: Dựng quỹ đạo chuyển động, lập họa đồ gia tốc và biểu đồ chuyển vị - thời gian của cơ cấu tay quay con trượt thông qua công cụ tính toán MatLab.
• Phương pháp chế tạo và thực nghiệm: Lập quy trình công nghệ gia công kim loại tấm, chế tạo các cụm chi tiết thực tế, lắp ráp hoàn thiện máy và tiến hành đo kiểm kích thước hình học hạt thạch sau cắt.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các tiêu chuẩn kỹ thuật chế tạo máy, catalog động cơ và thiết bị điện công nghiệp, cùng chuỗi dữ liệu thực nghiệm thu thập từ quá trình ép, cắt và đo kiểm trực tiếp chiều dài hạt thạch phô mai Ø8 mm tại xưởng.

Thiết kế và triển khai hệ thống máy

Máy cắt thạch phô mai được thiết kế dưới dạng một module tích hợp liên hoàn gồm ba khối chức năng chính: khối ép đùn phôi, khối cắt hạt và khối sàng tẩm bột thành phẩm.

Cụm chức năng	Kết cấu và thiết bị sử dụng	Nguyên lý hoạt động
Khung và chân máy	Khung kim loại hàn cứng vững từ thép hình và tôn tấm chấn, bề mặt xử lý chống ăn mòn.	Nâng đỡ toàn bộ hệ thống động lực, cụm ép, cụm cắt và khay rây; giảm rung động trong quá trình vận hành.
Cụm ép đùn phôi	Xylanh áp lực kết hợp piston và ống dẫn nguyên liệu đầu vào; đầu đùn bố trí các lỗ tạo hình Ø6, Ø8, Ø10 mm.	Piston tịnh tiến đẩy khối phô mai trong ống chứa ép qua các lỗ khuôn, định hình nguyên liệu thành các dải sợi tròn liên tục.
Cụm cắt hạt	Động cơ giảm tốc, cơ cấu tay quay con trượt, khung giữ dây cước cắt thạch.	Động cơ truyền chuyển động quay cho tay quay; thanh truyền kéo con trượt mang dây cước chuyển động qua lại với tốc độ 2-3 nhịp/giây, cắt đứt dải phô mai thành các hạt có chiều dài bằng đường kính.
Cụm sàng tẩm bột và rây	Khay chứa bột áo, cơ cấu lắc/sàng rung và lưới rây kích thước chuẩn.	Hạt phô mai sau khi rơi xuống khay bột được đảo đều để phủ một lớp mỏng chống dính chùm, sau đó qua lưới rây để tách bỏ phần bột dư.
Hệ thống điều khiển	Tủ điện điều khiển gồm công tắc nguồn, rơ le, biến tần/bộ điều tốc động cơ và nút dừng khẩn cấp.	Điều chỉnh tốc độ cấp phôi của xylanh và nhịp cắt của động cơ nhằm đảm bảo đồng bộ tỷ lệ giữa tốc độ ép và tần số cắt.

Quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí của máy áp dụng các phương pháp gia công:

• Cắt laser kim loại tấm: Gia công biên dạng vỏ tủ điện, các tấm bích gá động cơ, tấm trượt và khung đỡ với độ chính xác kích thước cao.
• Gia công chấn dập: Định hình các tấm kim loại vỏ bảo vệ, máng hứng và khay sàng bột.
• Hàn TIG (Tungsten Inert Gas): Liên kết các kết cấu khung vỏ bằng thép không gỉ, tạo mối hàn ngấu đều, kín khít, nhẵn phẳng, đáp ứng yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm.
• Gia công tiện: Tiện các chi tiết tròn xoay như trục truyền động, con trượt, khớp nối và gia công ống trụ buồng ép nguyên liệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên sự phát triển của thị trường ẩm thực và các bất cập của phương pháp cắt phô mai thủ công. Tác giả xác định rõ ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ nguyên lý máy cắt thực phẩm dẻo và ý nghĩa thực tiễn trong việc tăng năng suất, giảm chi phí nhân công cho doanh nghiệp. Chương này thiết lập hệ thống 3 mục tiêu nghiên cứu, xác định đối tượng là máy cắt và thạch phô mai, giới hạn phạm vi nghiên cứu với mẻ liệu 2,5 kg, tốc độ cắt 2-3 hạt/giây và kích thước khuôn Ø6, Ø8, Ø10 mm. Đồng thời, chương 1 phác thảo 4 phương pháp nghiên cứu chính (kế thừa, tiếp cận, tính toán thiết kế, mô hình hóa) và nêu cấu trúc tổng thể gồm 6 chương của khóa luận.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng thuật toàn diện về vai trò của máy cắt thạch trong chế biến công nghiệp và phân tích chuyên sâu về đối tượng phô mai. Tác giả hệ thống hóa các đặc tính dinh dưỡng (protein, chất béo, canxi, vitamin A, B12), thương hiệu phô mai Con Bò Cười và quy trình sản xuất phô mai tiêu chuẩn gồm 6 bước: lựa chọn nguyên liệu/lên men, làm đông tụ bằng rennet, định hình/tách váng sữa, thêm muối bảo quản, ép định hình và ủ chín. Tiếp đó, tác giả phân tích chi tiết 5 bước của quy trình làm thạch phô mai thủ công (nặn túi -> cắt dao chỉ -> sàng bột -> tách hạt -> rây). Phần tổng quan công nghệ khảo sát các thiết bị hiện có: máy cắt lát cầm tay Prodyne Thick Beechwood, các dòng máy tự chế của cơ sở tư nhân trong nước, máy cắt phô mai dạng lưới 5-AF (công suất tới 120 khối/giờ) và máy cắt khối công nghiệp điều khiển servo HC-2SE của nước ngoài, qua đó xác định khoảng trống công nghệ để phát triển một máy cắt thạch dạng hạt tự động gọn nhẹ.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 tập trung làm rõ các nguyên lý cơ học và thiết bị dẫn động làm cơ sở cho tính toán thiết kế. Tác giả phân tích kết cấu và nguyên lý làm việc của piston khí nén (chi tiết đỉnh, đầu gắn xéc-măng, thân dẫn hướng; nguyên lý dãn nở khí nén biến năng lượng áp suất thành cơ năng) cùng hai dạng kết cấu piston tác động đơn (hồi vị bằng lò xo) và piston tác động kép (đảo chiều bằng van khí nén). Chương này cũng đi sâu vào cấu tạo của xylanh điện (trục vít - đai ốc, động cơ điện 220VAC hoặc 24VDC, vòng đệm, vỏ dẫn hướng chống xoay và ổ bi đỡ chịu lực). Cuối cùng, tác giả trình bày lý thuyết động học cơ cấu tay quay con trượt, nguyên lý biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến khứ hồi ứng dụng trong máy công cụ và máy cắt lát.

Chương 4: Phương án thiết kế

Chương 4 xây dựng sơ đồ khối hoạt động của thiết bị và phân tích ưu nhược điểm của các phương án thiết kế thành phần. Đối với cơ cấu bơm đẩy phôi, nhóm tác giả so sánh phương án dùng trục vít tải với phương án dùng piston xylanh áp lực (phương án piston được lựa chọn do đặc tính đùn khối dẻo đều và dễ vệ sinh). Về phương án bố trí xylanh, tác giả so sánh phương án piston đẩy ngang và piston đặt thẳng đứng. Đối với cơ cấu cắt, tác giả lựa chọn phương án cắt bằng dây cước liên kết với cơ cấu tay quay con trượt thay vì dao thép bản rộng nhằm giảm lực cản cắt và chống dính phô mai. Chương 4 cũng thuyết minh phương án cơ cấu sàng và tẩm bột tự động, nguyên lý làm việc liên hoàn của toàn bộ máy từ khâu nạp phôi, ép qua lỗ định hình, cắt bằng dây cước cho đến khay sàng phủ bột áo.

Chương 5: Tính toán, thiết kế

Chương 5 trình bày các nội dung tính toán kỹ thuật phục vụ chế tạo. Tác giả xác lập các yêu cầu tính toán về lực ép cần thiết để đùn phô mai qua khuôn và vận tốc chuyển động của piston. Trên cơ sở đó, nhóm tính toán động học và động lực học cho cơ cấu tay quay con trượt chính tâm: xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của điểm M trên thanh trượt gắn dây cước, lập phương trình chuyển động và dùng MatLab để mô phỏng quỹ đạo cũng như biểu đồ chuyển vị theo thời gian. Từ thông số lực cản cắt và vận tốc cắt yêu cầu (2-3 lần cắt/giây), chương 5 tính chọn công suất động cơ dẫn động cơ cấu cắt, tính chọn xylanh ép đùn phôi, các chi tiết ổ bi, trục và lập danh mục thiết bị điện sử dụng trong tủ điều khiển máy.

Chương 6: Chế tạo, gia công và thực nghiệm

Chương 6 ghi nhận toàn bộ quá trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ sang mô hình thực tế. Tác giả mô tả chi tiết quy trình chế tạo các cụm chi tiết bằng 4 phương pháp công nghệ (cắt laser, chấn dập, hàn TIG, tiện cơ khí); quy trình lắp ráp cụm ép bằng xylanh, cụm ống chứa phôi đầu vào, cụm chứa và rây thành phẩm, phần khung chân máy và bảng điện điều khiển. Phần thực nghiệm tập trung vào quá trình vận hành tạo hạt thạch kích thước Ø8 mm: thử nghiệm lực ép đùn thành sợi, kiểm tra quá trình đổ bột vào khay sàng tẩm bột, đo đạc kích thước hạt sau khi cắt và sàng. Chương này tổng hợp dữ liệu đo kiểm chiều dài, đường kính và độ ổn định hình dạng của hạt thạch thành phẩm qua các bảng số liệu thống kê.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm vận hành hoàn chỉnh mô hình máy cắt thạch phô mai tự động, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra ban đầu:

Hạng mục / Thông số	Giá trị theo yêu cầu thiết kế	Kết quả thực nghiệm đạt được
Kích thước hạt định hình	Ø6 mm, Ø8 mm, Ø10 mm	Đã hoàn thiện và kiểm chứng thực nghiệm trên hạt kích thước Ø8 mm.
Tốc độ cắt của cơ cấu	2 - 3 hạt/giây	Đáp ứng ổn định nhịp cắt 2 - 3 nhịp/giây qua cơ cấu tay quay con trượt.
Năng suất vận hành	100 hạt/phút	Đạt năng suất thiết kế định mức khi cấp liệu ổn định.
Khối lượng mẻ phôi	2,5 kg/mẻ	Cụm chứa nhiên liệu tiếp nhận và ép đùn trơn tru mẻ liệu 2,5 kg.
Mức độ đồng đều sản phẩm	Hạt không biến dạng, không dính	Hạt sau cắt giữ được tiết diện tròn, chiều dài hạt đồng đều tương đương đường kính Ø8 mm, bề mặt phủ đều bột áo chống dính.

Đóng góp của đồ án:

• Về mặt giải pháp kỹ thuật: Đã nghiên cứu và tích hợp thành công cụm ép đùn phôi dạng piston với cơ cấu cắt dây cước tịnh tiến khứ hồi và cụm sàng tẩm bột rung liên hoàn. Giải pháp dùng dây cước mảnh thay thế dao kim loại bản dày giúp giảm lực dính bám của phô mai mềm dẻo.
• Về mặt chế tạo: Xây dựng bộ hồ sơ thiết kế 3D hoàn chỉnh và quy trình công nghệ gia công chi tiết (laser, chấn, hàn TIG, tiện) có tính khả thi cao, sử dụng vật liệu thép không gỉ đảm bảo an toàn thực phẩm.
• So với các giải pháp thủ công và máy cắt thương mại: Máy thay thế hoàn toàn 5 công đoạn thao tác tay, nâng cao tính đồng đều của hạt thạch, đồng thời có chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với các hệ thống cắt phô mai công nghiệp nhập khẩu (như HART HC-2SE hoặc 5-AF), phù hợp với quy mô ứng dụng của các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Quá trình thực nghiệm đo kiểm thông số kỹ thuật và độ ổn định mới chỉ tập trung sâu vào khuôn tạo hạt kích thước Ø8 mm; hai dải kích thước Ø6 mm và Ø10 mm chưa có chuỗi số liệu thực nghiệm toàn diện trong báo cáo.
• Quá trình nạp liệu vẫn mang tính gián đoạn theo từng mẻ (2,5 kg/mẻ); máy chưa có cơ cấu cấp phôi tự động nạp liên tục vào buồng ép.
• Độ ổn định hình học của hạt cắt vẫn phụ thuộc vào nhiệt độ và độ dẻo của khối phô mai đầu vào; hệ thống chưa tích hợp bộ phận kiểm soát nhiệt độ buồng ép.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng thử nghiệm thực tế và chuẩn hóa bộ thông số vận hành (áp lực ép, tốc độ cắt) cho các kích cỡ hạt còn lại (Ø6 mm và Ø10 mm).
• Thiết kế bổ sung phễu nạp liệu liên tục có cánh khuấy hoặc trục vít tiếp liệu tự động để nâng cao năng suất tổng thể vượt mức 2,5 kg/mẻ.
• Tích hợp thêm cảm biến đo áp suất đùn và hệ thống ổn nhiệt cho ống chứa nhiên liệu nhằm đảm bảo độ dẻo đồng nhất của phô mai trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy cắt thạch phô mai" là tài liệu học thuật có giá trị ứng dụng và tham khảo rõ ràng:

• Đối tượng tham khảo: Giảng viên, sinh viên các ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Công nghệ Thực phẩm đang thực hiện các đề tài tính toán, thiết kế máy chế biến nguyên liệu dạng sệt, dẻo.
• Phần đáng tham khảo:
  • Phương pháp mô hình hóa động học và giải phương trình chuyển động của cơ cấu tay quay con trượt bằng phần mềm MatLab (trình bày tại Chương 5).
  • Quy trình công nghệ gia công kim loại tấm (cắt laser, chấn dập, hàn TIG inox) và giải pháp bố trí cụm ép đùn piston kết hợp dây cước cắt chống dính (trình bày tại Chương 4 và Chương 6).
  • Chuỗi số liệu thực nghiệm đo đạc chiều dài và hình dạng hạt thạch phô mai Ø8 mm sau khi cắt và sàng tẩm bột.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy cắt thạch phô mai sử dụng cơ cấu cơ khí nào để thực hiện chuyển động cắt đứt phôi?
Máy sử dụng cơ cấu tay quay con trượt chính tâm. Động cơ giảm tốc làm quay tay quay, thông qua thanh truyền làm con trượt mang khung dây cước chuyển động tịnh tiến khứ hồi qua lại. Chuyển động này cắt đứt các dải phô mai tròn vừa đùn ra khỏi khuôn với tần số 2 đến 3 nhịp cắt mỗi giây.

2. Kích thước hạt thạch phô mai và năng suất vận hành của máy theo thiết kế ban đầu là bao nhiêu?
Theo nhiệm vụ đồ án (Mã số CTM-72), máy được thiết kế để tạo ra các hạt thạch có đường kính Ø6 mm, Ø8 mm và Ø10 mm. Năng suất thiết kế đạt 100 hạt/phút, đáp ứng khả năng gia công mẻ nguyên liệu 2,5 kg.

3. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn dây cước thay cho dao kim loại bản rộng trong cơ cấu cắt?
Phô mai là nguyên liệu có độ dẻo dính cao. Khi sử dụng dao kim loại bản rộng, diện tích tiếp xúc lớn dẫn đến hiện tượng phô mai bám dính vào lưỡi dao làm biến dạng hạt cắt. Dây cước có tiết diện cắt rất nhỏ, giảm thiểu tối đa lực ma sát và diện tích tiếp xúc bề mặt, giúp hạt phô mai sau khi cắt giữ nguyên được hình dạng tiết diện tròn.

4. Những phương pháp gia công cơ khí nào đã được áp dụng để chế tạo các cụm chi tiết của máy?
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 4 phương pháp công nghệ gia công chính: cắt laser biên dạng kim loại tấm, chấn dập tạo hình vỏ và khay chứa, hàn TIG liên kết các chi tiết thép không gỉ đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, và tiện cơ khí các chi tiết tròn xoay (trục truyền động, con trượt, ống đùn nguyên liệu).

5. Kết quả kiểm chứng thực nghiệm của đồ án được tập trung đánh giá trên dải kích thước nào?
Quá trình thực nghiệm chế tạo và vận hành mẫu được nhóm tác giả ưu tiên tiến hành trên khuôn tạo hạt đường kính Ø8 mm. Các số liệu thu thập bao gồm chiều dài hạt sau cắt, độ ổn định hình học sau khi qua khay sàng tẩm bột và rây lấy thành phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy cắt thạch phô mai" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ khí hóa và tự động hóa quy trình chế biến thạch phô mai thủ công. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh các khâu ép đùn phôi qua khuôn, cắt tạo hạt bằng cơ cấu tay quay con trượt mang dây cước và sàng tẩm bột chống dính tự động. Các kết quả thực nghiệm với hạt Ø8 mm đã chứng minh máy vận hành ổn định, đảm bảo kích thước đồng đều và đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về thiết bị Chương 5: Tính toán, thiết kế Chương 6: Chế tạo, gia công và thử nghiệm 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Tổng quan về máy cắt thạch phô mai trong công nghiệp thực phẩm 2. Giới thiệu máy cắt thạch phô mai Máy cắt thạch phô mai tự động là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất thạch phô mai công nghiệp. Thiết bị này đã chứng minh vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, tăng cường năng suất và chất lượng sản phẩm, cũng như giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công.

Bằng cách tự động hóa các bước cắt và đóng gói, máy cắt thạch phô mai không chỉ mang lại hiệu suất cao mà còn giảm thiểu lỗi và rủi ro trong sản xuất thực phẩm. Nguyên lý hoạt động Mềm thạch phô mai: Trước khi cắt, thạch phô mai thường được làm mềm bằng cách đặt nó ở nhiệt độ phù hợp để trở nên dễ cắt hơn. Dao cắt: Máy cắt thạch thường sử dụng một bộ dao sắc bén, thường là dao lưỡi cưa hoặc dao lưỡi dao cắt thẳng, để cắt qua thạch phô mai. Chế độ cắt: Máy cắt thường có khả năng điều chỉnh kích thước của sợi thạch phô mai được cắt ra.

Điều này thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ dày của dao cắt hoặc cài đặt khác trên máy. Tốc độ cắt: Máy cắt thường áp dụng một tốc độ cắt nhất định để đảm bảo cắt qua thạch phô mai một cách chính xác và dễ dàng. Điều khiển: Máy cắt thường được điều khiển bởi một hệ thống điện, cho phép người sử dụng điều chỉnh các thiết lập và quản lý quá trình cắt. Những nguyên lý này giúp đảm bảo việc cắt thạch phô mai thành sợi một cách nhanh chóng, chính xác và đồng đều.

Các tính năng chính Tự Động Hóa Toàn Bộ Quy Trình: Máy cắt thạch phô mai tự động hoạt động một cách tự động từ việc cung cấp nguyên liệu đến quy trình cắt và đóng gói, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng tính nhất quán. 4 Chính Xác và Đồng Đều: Thiết bị có khả năng cắt thạch phô mai theo kích thước và hình dạng chuẩn xác, đảm bảo sự đồng đều trong sản phẩm cuối cùng. Tăng Năng Suất và Hiệu Quả: Bằng cách loại bỏ sự phụ thuộc vào lao động thủ công, máy cắt tự động giúp tăng năng suất và giảm thời gian sản xuất, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất. Tiết Kiệm Chi Phí và Tăng Cạnh Tranh: Máy cắt tự động giảm chi phí lao động và tăng tính cạnh tranh trên thị trường thông qua việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Ưu điểm và tiềm năng Máy cắt thạch phô mai tự động không chỉ giúp tăng cường hiệu suất sản xuất mà còn mang lại nhiều lợi ích khác như: Giảm thiểu lỗi trong quy trình sản xuất. Tiết kiệm thời gian và công sức của nhân viên. Tạo ra sản phẩm cuối cùng đồng đều và chất lượng. Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về sản phẩm thạch phô mai trên thị trường.

Mức độ sử dụng và triển vọng tương lai Máy cắt thạch phô mai tự động là một phần không thể thiếu trong các nhà máy sản xuất thực phẩm công nghiệp hiện đại. Với sự gia tăng của nhu cầu tiêu dùng và sự phát triển của công nghệ tự động hóa, việc sử dụng máy cắt thạch phô mai tự động có thể dự đoán sẽ tiếp tục gia tăng trong tương lai, đặc biệt là trong các nhà máy sản xuất thực phẩm lớn và các đơn vị sản xuất hàng loạt. Khái niệm về phô mai 2. Phô mai - Khái niệm cơ bản về phô mai Phô mai, hay còn gọi là pho mát, phổ mách, phôma (tiếng Pháp) hoặc cheese/cheeze (tiếng Anh, Mỹ).

Đây là dạng thực phẩm được chế biến và nén từ phần rắn được tách ra sau khi kết đông, lên men các sản phẩm sữa có thể là sữa bò, sữa dê, sữa cừu hoặc các động vật có vú. Tuỳ vào nguyên liệu, cách chế biến, cách sản xuất mà từng loại phô mai khác nhau sẽ mang trong mình hương vị và màu sắc khác nhau. 5 Trong thực tế, người ta thường kết hợp phô mai với các loại trà sữa như một topping trong thạch rau câu đang là một món ăn trending hiện nay.1: Topping phô mai trong trà sữa - Thành phần dinh dưỡng Phô mai là nguồn thực phẩm chứa nhiều chất béo, cholesterol và quan trọng hơn là chất béo bão hòa. Hàm lượng của các chất này ở mỗi loại phô mai khác nhau sẽ khác nhau.

Trong khi nguồn cung cấp chất béo bão hòa và cholesterol lớn nhất trong chế độ ăn của người Mỹ là nhóm thực phẩm thịt (bao gồm thịt bò, thịt đã qua chế biến, trứng, thịt gia cầm và các loại thịt khác), thì nhóm sữa ( bao gồm kem và phô mai ) chính là lựa chọn không thể nào thiếu. Trong phô mai có nguồn dinh dưỡng dồi dào giúp cung cấp canxi, chất béo và protein tuyệt vời. Ngoài ra nó còn chứa một lượng lớn vitamin A và vitamin B12, cùng với kẽm, phốt pho và riboflavin. Phô mai làm từ sữa của 100% các loài động vật ăn cỏ sẽ có chất dinh dưỡng cao nhất và cũng chứa axit béo omega-3 và vitamin K2.

6 - Một số công dụng phổ biến của phô mai Hình 2.2: Công dụng phô mai con bò cười Con bò cười là một thương hiệu sản xuất phô mai của hãng Groupe Bel Pháp. Sản phẩm này có hơn 100 năm tồn tại và phát triển, gắn liền với tuổi thơ của nhiều người. Có thể thấy, lấy chính nhãn hiệu đã làm nên tuổi thơ của trẻ em Việt Nam, từ các thành phần đã công bố, thành phần dinh dưỡng là một yếu tố luôn được đặt lên hàng đầu của một miếng phô mai ngon cùng với đó là những công dụng vô cùng tốt cho sức khỏe, điển hình như : • Tốt cho xương Hàm lượng Canxi trong phô mai cao gấp 10 lần thịt, cá và gấp 6 lần sữa chua nên giúp hệ xương chắc khoẻ. Ngoài ra phô mai cũng có thể ngăn ngừa nguy cơ loãng xương và hàm lượng vitamin D giúp cao cải thiện chiều cao rõ rệt.

• Chống sâu răng và bảo vệ răng miệng ở trẻ nhỏ Phô mai có hàm lượng Casine giúp hình thành nên lớp màng mỏng trên bề mặt răng, bảo vệ hệ men răng. Ngoài ra, phô mai có thể kích thích tiết nước bọt trong miệng, giúp loại bỏ lượng thức ăn dư thừa còn dính lại trên răng và giảm nguy cơ sâu răng. 7 • Hỗ trợ tăng cân, tăng sức đề kháng Phô mai con bò cười bổ sung đầy đủ các thành phần dinh dưỡng cần thiết như đạm, Canxi, chất béo, vitamin, khoáng chất,… Từ đó, góp phần tham gia xây dựng cấu trúc cơ thể, hỗ trợ tăng cân, tăng sức đề kháng và bảo vệ cơ thể khỏi các tác nhân gây bệnh bên ngoài. • Ngăn chặn quá trình lão hóa Trong phô mai có chứa lượng protein cao, giúp cơ thể ngăn chặn quá trình lão hóa, tăng cường hệ miễn dịch.

Ngoài ra, giúp cải thiện hệ thần kinh tốt và được xem là liều thuốc an thần cực hữu hiệu. • Ngăn ngừa ung thư Vài nghiên cứu cho thấy, trong phô mai có chứa thành phần CLA – một trong những hoạt chất có tác dụng ngăn ngừa sự hình thành của các tế bào ung thư. Do đó, ăn phô mai có tác dụng ngăn ngừa ung thư. • Quy trình sản xuất Bước 1: Lựa chọn nguyên liệu và quá trình lên men Để làm ra được phô mai thì sữa bò là nguyên liệu chính.

Một điều đặc biệt là nhà sản xuất có thể thay thế sữa bò bằng sữa cừu hoặc sữa dê. Hơn nữa sữa dùng sản xuất phô mai phải được tách béo một phần trước đó. Nguyên liệu sữa sẽ được lên men – gọi là quá trình acid hoá. Theo đó,đường lactose trong sữa sẽ chuyển hoá thành acid lactic.

Quá trình acid hóa sẽ giúp biến đổi nguyên liệu sữa ban đầu thành sữa đặc hơn.3: Nguyên liệu làm phô mai 8 Bước 2: Làm đông sữa Quá trình biến chất lỏng thành chất đặc được gọi là quá trình đông tụ. Sau khi lên men, sữa sẽ có độ rắn nhất định. Để làm cho sữa được đặc hơn nữa, rennet là một loại enzim sẽ được thêm vào. Enzim này ở dưới dạng chất lỏng hoặc bột nhão để tiếp tục làm sữa đông đặc hơn nữa.

Enzim được cho vào sữa thường thuộc nhóm vi khuẩn lactic. Việc lên men lactic sẽ làm đông tụ protein trong sữa với nguyên lý là hạ pH xuống mức thấp. Với nguyên lý này thì protein sẽ bị biến tính và đông tụ lại, đồng thời tạo ra vị chua cho phô mai.4: Làm đông sữa Bước 3: Tạo hình cho khối đông và tách hết phần chất lỏng Khi sữa đông đặc, nó tạo thành sữa đông và váng sữa. Phần sữa đông là phần rắn và váng sữa là phần chất lỏng.

Váng sữa sẽ được cho vào khuôn và rút hết nước. Khi quá trình này hoàn thành chúng ta sẽ thu được phô mai.5: Quá trình tách chất lỏng Bước 4: Thêm muối vào phô mai Nhà sản xuất phô mai sẽ thêm muối vào để bảo quản phô mai trong thời gian dài. Một lớp màng bảo vệ tự nhiên sẽ xuất hiện trên tảng phô mai. Lớp màng này có tác dụng ngăn phô mai bị hỏng trong lúc bảo quản.

Muối không chỉ tạo vị mà còn bảo quản cho tảng phô mai. Khi làm phô mai, nhà sản xuất có thể thêm muối trực tiếp vào sữa đông hoặc chà xát muối lên phô mai. Ngoài ra nhà sản xuất cũng có thể tắm phô mai vào trong một thùng nước muối.8: Quá trình tách chất lỏng Hình 2.6: Thêm muối vào phô mai 10 Bước 5: Định hình Trong giai đoạn này, mỗi loại phô mai có dạng quen thuộc như một khối hoặc bánh xe rắn. Phô mai được cho vào một cái giỏ hoặc khuôn để tạo thành một hình dạng cụ thể.

Đồng thời, phô mai cũng được ép với trọng lượng hoặc máy để trục xuất mọi chất lỏng còn lại. Bước 6: Ủ chín phô mai Quá trình này làm già hóa phô mai cho đến khi nó đạt đến độ chín tối ưu nhất. Trong thời gian này, nhiệt độ và độ ẩm của căn phòng được theo dõi chặt chẽ. Lượng thời gian để phô mai chín tùy thuộc vào loại phô mai và kết quả mong muốn của người làm phô mai.

Có thể mất vài tháng đến khá nhiều năm để phô mai già đi. Nhưng sau khi hoàn thành, nó đã sẵn sàng để được đóng gói và sử dụng.7: Ủ phô mai 11 Quy trình chung Hình 2.