Giới thiệu dự án

Ngành chăn nuôi tại Việt Nam đang có sự chuyển dịch mạnh mẽ từ quy mô nhỏ lẻ sang mô hình trang trại bán công nghiệp và kinh tế hộ gia đình tập trung. Tuy nhiên, chi phí thức ăn chăn nuôi hiện chiếm tới 65% - 70% tổng giá thành sản xuất. Sự phụ thuộc vào các nguồn cám công nghiệp đóng bao sẵn từ các doanh nghiệp lớn khiến người nông dân chịu áp lực lớn về giá cả và chất lượng. Trước thực tế đó, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy ép cám viên trục vít" được thực hiện nhằm mang đến giải pháp cơ giới hóa quy mô vừa và nhỏ, giúp người chăn nuôi tự chủ nguồn thức ăn dinh dưỡng từ nông sản địa phương.

                  SƠ ĐỒ DÒNG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỨC ĂN
[Thu mua nông sản] ➔ [Nghiền bột khô] ➔ [Phối trộn tỷ lệ] ➔ [Ép đùn trục vít] ➔ [Cắt & Sấy khô] ➔ [Cám viên Ø4mm]

Vấn đề thực tế và các điểm nghẽn (Pain Points)

  • Chi phí thức ăn cao: Giá thức ăn viên công nghiệp dao động 13.000 - 16.000 VNĐ/kg, làm giảm biên lợi nhuận của hộ chăn nuôi.
  • Rủi ro chất lượng: Khó kiểm soát hàm lượng chất bảo quản, kháng sinh và tỷ lệ dinh dưỡng thực tế trong cám thương phẩm.
  • Hạn chế của thiết bị hiện có: Các dòng máy dập viên thủy lực hoặc máy nén trục con lăn công nghiệp có cấu tạo phức tạp, chi phí đầu tư vượt quá 30 - 50 triệu VNĐ, khó sửa chữa và bảo dưỡng tại nông thôn.

Mục tiêu kỹ thuật cụ thể của đồ án

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động học, động lực học của quá trình nén ép thức ăn chăn nuôi dạng hạt/bột.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ động và kết cấu cơ khí của máy ép cám viên dạng trục vít nằm ngang.
  3. Tính toán độ bền trục, chọn ổ bi đỡ-chặn và xác định thông số động cơ điện $N = 0.75\text{ kW}$, tốc độ đồng bộ $1450\text{ vòng/phút}$.
  4. Xây dựng quy trình công nghệ gia công chi tiết trục vít từ vật liệu thép hợp kim 40X theo quy mô sản xuất hàng loạt vừa ($1000\text{ chi tiết/năm}$).
  5. Mô phỏng động lực học và kết cấu 3D trên phần mềm SolidWorks, tạo bản vẽ kỹ thuật 2D trên AutoCAD đạt chuẩn chế tạo.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Nguyên liệu đầu vào: Hỗn hợp bột ngô, cám gạo, bột đậu tương, bột cá với độ ẩm tiêu chuẩn $14% - 18%$.
  • Sản phẩm đầu ra: Cám viên dạng hình trụ tròn đường kính $\emptyset 4\text{ mm}$, chiều dài định hình $10 - 20\text{ mm}$, độ bền cơ học cao, không vỡ vụn khi vận chuyển.
  • Phạm vi ứng dụng: Nông hộ chăn nuôi lợn, gia cầm, thủy sản quy mô trang trại gia đình.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng công nghệ ép viên

Tiêu chí Phương án 1: Máy dập viên thủy lực Phương án 2: Máy ép trục con lăn Phương án 3: Máy ép đùn trục vít (Được chọn)
Nguyên lý nén Piston ép thủy lực tịnh tiến chu kỳ Con lăn miết quay trên mâm phẳng đục lỗ Trục vít nén ép liên tục qua đầu đùn
Năng suất ép Trung bình ($20 - 30\text{ kg/h}$) Cao ($80 - 150\text{ kg/h}$) Ổn định ($40 - 60\text{ kg/h}$)
Độ ồn & Rung động Thấp Khá lớn do ma sát con lăn Rất êm, làm việc liên tục
Độ phức tạp kết cấu Rất phức tạp (hệ thống van, bơm, xilanh) Phức tạp (hộp số, mâm xoay, cụm con lăn) Tinh gọn, ít chi tiết chuyển động
Chi phí chế tạo Rất cao (>25 triệu VNĐ) Cao (15 - 20 triệu VNĐ) Thấp (5 - 8 triệu VNĐ)
Khả năng bảo dưỡng Đòi hỏi thợ chuyên môn cao Khó tháo lắp thay khuôn Dễ tháo lắp, chi phí phụ tùng thấp

Yêu cầu người dùng theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Tạo ra viên cám $\emptyset 4\text{ mm}$ kết dính tốt; hệ số an toàn trục $n > 2.5$; vận hành bằng nguồn điện gia dụng 220V/380V.
  • Should have (Nên có): Bộ phận dao cắt điều chỉnh được độ dài viên từ $10\text{ mm}$ đến $20\text{ mm}$; buồng sấy/giải nhiệt sơ bộ ở đầu ra.
  • Could have (Có thể mở rộng): Phễu tiếp liệu tích hợp cánh khuấy sơ bộ chống nghẹt phôi.
  • Won't have (Không làm): Hệ thống ép đùn nhiệt độ cao biến tính tinh bột để làm cám nổi thủy sản (Extrusion cooking system) trong giai đoạn này.

Thiết kế hệ thống cơ khí

[Động cơ điện: 0.75kW - 1450 rpm] 
               │
      (Bộ truyền đai dẹt/thang, i_đai = 2.0)
               ▼
   [Hộp giảm tốc bánh răng trụ, i_gr = 5.0]  ──► Tổng tỷ số truyền i = 10
               │
               ▼
[Trục vít ép đùn (145 rpm) bên trong nòng xilanh] ──► [Khuôn đùn Ø4mm + Dao cắt]

  • Công nghệ phần mềm sử dụng:

    • AutoCAD 2021: Thiết kế bản vẽ sơ đồ động học, bản vẽ lồng phôi, sơ đồ gá đặt nguyên công gia công cơ khí.
    • SolidWorks 2022: Mô hình hóa tham số 3D, phân tích phân rã cụm máy, kiểm nghiệm tĩnh học chi tiết trục vít.

  • Thông số kỹ thuật then chốt:

    • Lực nén ép danh định: $P = 70\text{ N}$ trên bề mặt đơn vị.
    • Vận tốc quay trục ép: $n_{trục} = 145\text{ vòng/phút}$.
    • Tổng chiều dài trục vít: $L = 430\text{ mm}$; chiều dài làm việc ép $l = 321\text{ mm}$.
    • Đường kính lớn nhất của trục: $\emptyset 52\text{ mm}$; tỷ lệ cứng vững $l/d = 321/52 = 6.17 < 10$ (đảm bảo độ cứng vững uốn và xoắn tuyệt đối).

Implementation và kết quả thực nghiệm

Tính toán động học và động lực học trục vít

Dưới tác dụng của mô-men xoắn và lực nén phản hồi từ đầu đùn, trục vít chịu tải trọng phức hợp gồm uốn và xoắn đồng thời.

         Phân bố tải trọng & Biểu đồ nội lực trên trục vít
   
         P_r = 1438N (Lực hướng tâm)
         │
         ▼            R_by = 2157N          R_ay = 719N
   ══════╤═════════════════╤═════════════════════╤═══════
   ▲     │                 ▲                     ▲
   Ổ A   │ (Điểm đặt lực)  Ổ B                   Đầu ép
         │◄──── 98mm ────►│◄───── 147mm ───────►│

  1. Xác định lực tác dụng lên trục:

    • Lực vòng (Circumferential force): $P_t = \frac{2 \cdot M_x}{d} = 3951\text{ N}$
    • Lực hướng tâm (Radial force): $P_r = 3951 \cdot \tan(20^\circ) = 1438\text{ N}$

  2. Cân bằng phản lực liên kết tại các gối đỡ: $$\sum M_{(A)y} = 147 \cdot P_r - 98 \cdot R_{by} = 0 \implies R_{by} = \frac{147 \cdot 1438}{98} = 2157\text{ N}$$ $$R_{ay} = R_{by} - P_r = 2157 - 1438 = 719\text{ N}$$ $$\sum M_{(A)x} = 147 \cdot P_t - 98 \cdot R_{bx} = 0 \implies R_{bx} = \frac{147 \cdot 3951}{98} = 5926.5\text{ N}$$ $$R_{ax} = R_{bx} - P_t = 5926.5 - 3951 = 1975.5\text{ N}$$

  3. Mô-men uốn tổng và mô-men tương đương: $$M_u = \sqrt{M_{ux}^2 + M_{uy}^2} = \sqrt{(719 \cdot 98)^2 + (1975.5 \cdot 98)^2} = 20603\text{ N}\cdot\text{mm}$$ $$M_{td} = \sqrt{M_u^2 + 0.75 \cdot M_x^2} = \sqrt{20603^2 + 0.75 \cdot 49396^2} = 210417\text{ N}\cdot\text{mm}$$

  4. Kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi ($n$):

    • Ứng suất uốn: $\sigma_a = \frac{M_u}{W} = \frac{57177.68}{2320} = 24.6\text{ N/mm}^2$
    • Ứng suất xoắn: $\tau_a = \tau_m = \frac{M_x}{2 W_0} = 4.97\text{ N/mm}^2$
    • Hệ số an toàn uốn: $n_\sigma = 5.7$; Hệ số an toàn xoắn: $n_\tau = 16.8$ $$n = \frac{n_\sigma \cdot n_\tau}{\sqrt{n_\sigma^2 + n_\tau^2}} = \frac{5.7 \cdot 16.8}{\sqrt{5.7^2 + 16.8^2}} = 5.3$$
    • So sánh: $n = 5.3 \ge [n] = 1.5 - 2.5$ $\rightarrow$ Trục thỏa mãn điều kiện bền mỏi và cứng vững.

Quy trình công nghệ chế tạo trục vít (Thép hợp kim 40X)

Trục vít làm việc trong môi trường chịu ma sát trượt và mài mòn liên tục. Do đó, quy trình công nghệ được thiết lập khắt khe với vật liệu phôi dập nóng trên máy dập trục khuỷu, nhiệt luyện đạt độ cứng $45 - 50\text{ HRC}$.

                             TIẾN TRÌNH CÔNG NGHỆ 12 NGUYÊN CÔNG
[Phôi dập nóng Thép 40X] ➔ [Khoả mặt đầu & Khoan tâm (MP-71M)] ➔ [Tiện thô nửa trục (T620)] 
        ➔ [Tiện thô nửa còn lại] ➔ [Tiện tinh toàn bộ cổ trục] ➔ [Tiện ren răng xoắn đùn] 
        ➔ [Phay rãnh then] ➔ [Khoan lỗ chốt] ➔ [Tôi cải thiện & Ram] ➔ [Mài tinh cổ trục]

; ==========================================================
; TRÍCH XUẤT CHƯƠNG TRÌNH G-CODE TIỆN THÔ TRỤC VÍT (CNC LATHE)
; Phôi: Thep 40X, Dao tien ngoai Hop kim T15K6
; ==========================================================
G21 G18 G90 G95 ; Don vi mm, Mat phang XZ, Toa do tuyet doi, Tien dao mm/vong
G54 M03 S550     ; Truc chinh quay thuan 550 rpm
G00 X56.0 Z2.0   ; Tien dao nhanh vao vi tri an toan
M08              ; Bat dung dich tuoi nguoi

; Chu trinh tien tho truc bac ngoai (G71)
G71 U2.0 R0.5    ; Chieu sau moi lop cat t=2.0mm, lui dao 0.5mm
G71 P100 Q200 U0.5 W0.1 F0.35 ; Luong du tien tinh X=0.5mm, Z=0.1mm, S=0.35mm/v
N100 G00 X26.0   ; Tien tho doan 1 dat Phi 26 (chua tinh Phi 25)
G01 Z-65.0 F0.35
X29.0            ; Tien tho doan 2 dat Phi 29 (chua tinh Phi 28)
Z-130.0
X36.6            ; Tien tho doan 3 dat Phi 36.6 (chua tinh Phi 35)
Z-210.0
X41.6            ; Tien tho doan 4 dat Phi 41.6 (chua tinh Phi 40)
Z-255.0
X53.0            ; Tien tho duong kinh ngoai Phi 53 (chua tinh Phi 52)
Z-321.0
N200 G01 X56.0   ; Ket thuc bien dang tien tho
G00 X100.0 Z50.0 M09 ; Lui dao xa, tat tuoi nguoi
M05 M30          ; Dung truc chinh va ket thuc chuong trinh

Chi tiết các bước công nghệ chính

  • Nguyên công 1: Khỏa 2 mặt đầu và khoan 2 lỗ tâm:

    • Máy: Phay và khoan tâm chuyên dùng MP-71M.
    • Dao: Phay mặt đầu hợp kim T15K6 ($\emptyset 80\text{ mm}$, số răng $Z=5$).
    • Chế độ cắt: Chiều sâu cắt $t = 2\text{ mm}$, lượng chạy dao răng $S_z = 0.13\text{ mm/răng}$, tốc độ cắt $V_t = 201.8\text{ m/phút}$, $n_{tc} = 200\text{ vòng/phút}$.
    • Thời gian gia công cơ bản: $T_0 = 0.42\text{ phút}$.

  • Nguyên công 2 & 3: Tiện thô các bậc trục ($\emptyset 26, \emptyset 29, \emptyset 36.6, \emptyset 41.6, \emptyset 53$):

    • Máy: Tiện vạn năng T620 (Công suất động cơ $10\text{ kW}$, dải tốc độ $25 - 2000\text{ vòng/phút}$).
    • Chế độ cắt: $t = 1.7 - 2.0\text{ mm}$, $S_m = 0.36\text{ mm/vòng}$, $V_t = 43.2 - 45.8\text{ m/phút}$.

  • Nguyên công 4 & 5: Tiện tinh các cổ trục ($\emptyset 25_{-0.033}, \emptyset 28_{-0.033}, \emptyset 35_{-0.039}, \emptyset 40_{-0.039}, \emptyset 52$):

    • Dao: Dao tiện ngoài thân cong $90^\circ$ gắn mảnh hợp kim T15K6 bán kính đỉnh dao $r = 1\text{ mm}$.
    • Chế độ cắt: $t = 0.5\text{ mm}$, $S_m = 0.12\text{ mm/vòng}$, $V_t = 70.4 - 73.5\text{ m/phút}$.

Kiểm nghiệm thực nghiệm và đánh giá chất lượng

Thông số đánh giá Chỉ tiêu thiết kế lý thuyết Kết quả chế tạo thực nghiệm Đánh giá sai số / Tỷ lệ đạt
Đường kính viên cám $\emptyset 4.0\text{ mm} \pm 0.2\text{ mm}$ $\emptyset 4.05\text{ mm}$ Đạt ($+1.25%$)
Chiều dài viên nén $10 - 20\text{ mm}$ $12 - 18\text{ mm}$ (cắt tự động) Đạt ($100%$ trong dải)
Năng suất ép đùn $40.0\text{ kg/h}$ $43.5\text{ kg/h}$ Vượt $8.75%$ thiết kế
Độ bền viên nén (PDI) $\ge 90%$ $93.2%$ (sau 24h khô tự nhiên) Vượt chỉ tiêu
Độ tăng nhiệt buồng ép $60^\circ\text{C} - 80^\circ\text{C}$ (do ma sát) $68^\circ\text{C}$ (hồ hóa nhẹ tinh bột) Tối ưu tiêu hóa cho vật nuôi
Độ ồn hoạt động $< 75\text{ dB}$ $68.5\text{ dB}$ Vận hành êm ái

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Tối ưu hóa hình học trục vít ép cám: Thiết kế trục vít bước biến thiên kết hợp nòng ép có rãnh dọc giúp ngăn hiện tượng trượt xoay của khối bột dẻo, tăng áp lực nén đẩy tại đầu đùn lên thêm 28% so với trục vít xoắn đều truyền thống.
  2. Cải tiến phôi dập nóng tiết kiệm vật tư: Việc lựa chọn phôi dập nóng thay vì phôi cán thanh tròn giúp giảm lượng dư gia công từ $6.5\text{ mm}$ xuống còn $2.5\text{ mm}$ mỗi phía, tiết kiệm 22% khối lượng thép hợp kim 40X và rút ngắn 35% thời gian gia công cắt gọt.
  3. Mặt sàng đùn module hóa: Cụm mặt bích đầu đùn $\emptyset 4\text{ mm}$ sử dụng cơ cấu tháo lắp then hoa giúp người vận hành thay đổi kích thước lỗ sàng ($\emptyset 2\text{ mm}, \emptyset 4\text{ mm}, \emptyset 6\text{ mm}$) chỉ trong vòng 5 phút mà không cần tháo toàn bộ thân máy.

Ứng dụng thực tế và phân tích kinh tế

Kịch bản ứng dụng điển hình

Mô hình trang trại hộ gia đình quy mô 100 con lợn thịt hoặc 1.000 con gà thịt tại khu vực miền Trung (Đà Nẵng, Quảng Nam):

  • Nguyên liệu tận dụng: Bột ngô ($6.000\text{ VNĐ/kg}$), Cám gạo ($5.500\text{ VNĐ/kg}$), Bột đậu tương & Bột cá ($12.000\text{ VNĐ/kg}$).
  • Tỷ lệ phối trộn: $50%$ Ngô + $30%$ Cám gạo + $20%$ Bột đạm/khoáng $\rightarrow$ Giá thành nguyên liệu tự trộn: $7.050\text{ VNĐ/kg}$.
  • Chi phí điện và hao mòn máy: $450\text{ VNĐ/kg}$.
  • Tổng chi phí 1 kg cám tự ép: $7.500\text{ VNĐ/kg}$ (so với cám công nghiệp $13.500\text{ VNĐ/kg}$, tiết kiệm $6.000\text{ VNĐ/kg}$ - tương đương $44.4%$).

Hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn (ROI)

Hạng mục chi phí Giá trị (VNĐ) Ghi chú
Chi phí chế tạo máy trọn gói $6.800.000$ Vật tư, động cơ 0.75kW, gia công cơ khí
Mức tiêu thụ cám trang trại (100 lợn) $200\text{ kg/ngày}$ $6.000\text{ kg/tháng}$
Khoản tiền tiết kiệm mỗi tháng $36.000.000$ $6.000\text{ kg} \times 6.000\text{ VNĐ/kg}$ chênh lệch
Thời gian thu hồi vốn máy (ROI) < 10 ngày Hiệu quả đầu tư vượt trội

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Ma sát nén ép cao gây mài mòn mặt sàng đùn sau khoảng $600 - 800$ giờ làm việc liên tục nếu không được thấm Nitơ bề mặt.
  • Phụ thuộc vào độ ẩm cấp liệu thủ công ($14% - 18%$); nếu hỗn hợp quá khô ($<12%$) dễ gây kẹt trục vít, nếu quá ướt ($>22%$) cám viên bị bết dính.

Hướng nâng cấp mở rộng

  1. Tích hợp vòng gia nhiệt điện trở (Heating Band) điều khiển qua rơ-le nhiệt độ PID tại đầu nòng đùn để thực hiện ép chín cám nổi cho cá.
  2. Thiết kế cảm biến dòng tải động cơ tự ngắt (Overload Protection Relay) để bảo vệ bộ truyền động khi gặp dị vật cứng trong nguyên liệu.
  3. Ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt thấm Cacbon - Nitơ (Nitrocarburizing) cho chi tiết trục vít để nâng tuổi thọ làm việc lên trên 2.500 giờ.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Giảng viên Cơ khí: Báo cáo cung cấp đầy đủ chuỗi tính toán động lực học trục, bảng tra chế độ cắt và mẫu tiến trình 12 nguyên công gia công chi tiết dạng trục bậc phức tạp theo chuẩn kỹ thuật.
  • Xưởng cơ khí chế tạo vừa và nhỏ: Bản vẽ chế tạo 2D/3D chi tiết hóa kích thước lắp ghép, chế độ dung sai lắp ghép ổ lăn ($\emptyset 30\text{ mm}$), dễ dàng đưa vào sản xuất thương mại ngay.
  • Hộ chăn nuôi và Hợp tác xã nông nghiệp: Giải pháp máy ép cám chi phí thấp giúp cắt giảm trực tiếp hơn $40%$ chi phí thức ăn, nâng cao tỷ lệ sống và chất lượng thịt gia súc gia cầm.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy sử dụng nguồn điện gia dụng 1 pha 220V hay bắt buộc 3 pha 380V?

Máy được tính toán thiết kế với động cơ $0.75\text{ kW}$ ($1.0\text{ HP}$), hoàn toàn tương thích với nguồn điện 1 pha $220\text{ V}/50\text{ Hz}$ thông dụng tại các hộ gia đình hoặc động cơ 3 pha công nghiệp qua biến tần.

2. Làm thế nào để điều chỉnh chiều dài của viên cám từ 10mm đến 20mm?

Người vận hành có thể nới lỏng ốc định vị của cụm dao cắt phía trước mặt bích khuôn đùn, tịnh tiến dao lại gần hoặc ra xa mặt sàng để thay đổi chu kỳ cắt tương ứng với tốc độ đùn của trục.

3. Cần bảo dưỡng định kỳ những bộ phận nào và thời gian bao lâu?

  • Bơm mỡ bôi trơn ổ bi đỡ chặn: Sau mỗi $100$ giờ vận hành.
  • Kiểm tra độ căng của bộ truyền đai: Định kỳ $1$ tháng/lần.
  • Vệ sinh sạch cặn bột bám trong rãnh trục vít sau mỗi ca làm việc để tránh đông cứng gây kẹt máy ở lần khởi động sau.

4. Tại sao đồ án chọn thép 40X làm trục vít mà không dùng thép carbon C45 thông thường?

Thép hợp kim Crom 40X có giới hạn bền kéo $\sigma_b = 1000\text{ N/mm}^2$ và giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 800\text{ N/mm}^2$ (cao hơn $35% - 40%$ so với thép C45), giúp trục chịu được ứng suất xoắn tiếp xúc và mài mòn cực lớn trong lòng xilanh ép.

5. Máy có ép được các loại phụ phẩm tươi như cá tạp, ốc, rau cỏ tươi không?

Không nên ép trực tiếp nguyên liệu tươi nguyên con. Cần nghiền nhỏ hoặc băm nhuyễn các nguyên liệu tươi, sau đó phối trộn với cám khô/bột ngô để đưa độ ẩm tổng thể về mức tiêu chuẩn $15% - 18%$ trước khi cấp vào phễu ép.

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy ép cám viên trục vít" của nhóm sinh viên Nguyễn Đoàn Thiên Sinh và Nguyễn Hoàng Tú (Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng) đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ giới hóa phục vụ nông nghiệp:

  • Xây dựng hoàn thiện cơ sở lý thuyết tính toán lực ép nén ($P = 70\text{ N}$), tính trục với hệ số an toàn cao ($n = 5.3$).
  • Thiết lập quy trình công nghệ 12 nguyên công chế tạo chi tiết trục vít từ phôi dập nóng thép 40X đạt độ chính xác gia công cao, sẵn sàng chuyển giao công nghệ.
  • Mô hình thực nghiệm chứng minh năng suất đạt $43.5\text{ kg/h}$, viên cám $\emptyset 4\text{ mm}$ đồng đều, giảm hơn $40%$ chi phí thức ăn cho nông hộ.

Đây là công trình nghiên cứu ứng dụng có giá trị thực tiễn cao, đóng góp thiết thực vào xu hướng phát triển nông nghiệp công nghệ cao và tự chủ kinh tế chăn nuôi tại Việt Nam.