Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng nước uống đóng chai và đóng bình hợp vệ sinh ngày càng tăng cao tại các hộ gia đình, cơ quan và xí nghiệp. Tuy nhiên, tại nhiều cơ sở sản xuất nước uống quy mô nhỏ và vừa, các công đoạn cấp phôi, súc rửa và chiết rót vẫn chủ yếu được thực hiện thủ công hoặc bán tự động đơn sơ. Phương thức này gây ra nhiều nhược điểm lớn: phụ thuộc nhiều vào nhân công, chi phí vận hành nhân sự lâu dài cao, năng suất không ổn định và đặc biệt là nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm do tay người tiếp xúc trực tiếp vào vỏ bình, miệng chai. Trong khi đó, các dây chuyền cấp và chiết rót tự động nhập khẩu từ nước ngoài (Đức, Ý) có giá thành rất cao, kết cấu phức tạp, không phù hợp với khả năng tài chính và diện tích nhà xưởng của các hộ kinh doanh cá thể.

Từ thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế, chế tạo hệ thống cấp bình 20 lít và thiết kế, chế tạo hệ thống cấp chai 0,5 lít" (kèm cụm súc rửa) được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm nghiên cứu giải pháp cơ khí hóa - tự động hóa cục bộ với giá thành hợp lý, kết cấu tinh gọn và đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các nguyên lý cấp phôi dạng chai/bình và các hệ thống chiết rót trong và ngoài nước.
  2. Tính toán, thiết kế cơ sở động học, động lực học và kết cấu chi tiết cho hệ thống cấp bình 20 lít tự động và hệ thống cấp, súc chai 0,5 lít bán tự động.
  3. Chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh gồm cơ cấu cấp máng nghiêng, mâm xoay, băng tải vận chuyển, buồng súc rửa và hệ thống kẹp dẫn hướng bằng khí nén.
  4. Vận hành thực nghiệm, đo đạc và đánh giá các thông số kỹ thuật (độ êm, năng suất cấp, tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển khí nén - điện của máy cấp bình nước 20 lít (bao gồm bình cổ to và bình cổ nhỏ) và máy cấp, súc chai 0,5 lít.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc thiết kế, gia công chế tạo mô hình thiết bị cấp phôi tự động/bán tự động phục vụ trước công đoạn chiết rót cho các cơ sở sản xuất quy mô hộ gia đình và vừa; ứng dụng các tài liệu, giáo trình tính toán chi tiết máy và hệ thống dẫn động cơ khí tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

Đề tài dựa trên các nguyên lý cơ sở của ngành Cơ khí Chế tạo máy và Tự động hóa sản xuất:

  • Nguyên lý cấp phôi tự động: Khảo sát các dạng cấp phôi rời liên tục và gián đoạn theo mẻ (dùng trọng lực thế năng, rãnh trượt xoắn ốc, máng nghiêng, bàn quay mâm xoay và băng chuyền định vị).
  • Lý thuyết tính toán hệ dẫn động cơ khí: Áp dụng phương pháp tính toán công suất động cơ, tỷ số truyền, bộ truyền đai thang, trục rulo, lực căng băng tải và lực kéo ma sát theo giáo trình Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển).
  • Hệ thống điều khiển khí nén và cảm biến: Ứng dụng truyền động khí nén (piston - xilanh ở dải áp suất 3 – 8 bar), van điện từ kết hợp cảm biến vị trí (sensor) và bộ rơ-le định thời (timer) để điều khiển chu trình đẩy, kẹp và xoay phôi.
  • Tổng quan công nghệ chiết rót: Khảo sát các nguyên lý chiết rót công nghiệp phổ biến gồm chiết rót tràn đầy (overflow), chiết rót điền đầy theo thời gian (time-gravity filling) và chiết rót theo trọng lượng tịnh (net weight filling).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu dữ liệu thiết kế từ các công trình nghiên cứu, bằng sáng chế và catalogue thiết bị của các hãng trong và ngoài nước (Vir Mauri Ý, máy chiết rót Đức, Công ty Trung Hậu, Đại Chính Quang, Tân Phú).
  • Phương pháp tính toán giải tích: Tính toán công suất cản ma sát, lực căng đai, bền trục rulo, lưu lượng máy bơm súc rửa và lưu lượng khí nén cần thiết.
  • Phương pháp thiết kế mô hình 3D và lập bản vẽ: Thiết kế đồ họa các cụm chi tiết máy, bản vẽ nguyên lý, bản vẽ lắp (khổ A1), bản vẽ phân rã (khổ A0) và bản vẽ chi tiết (khổ A3).
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo và kiểm tra: Gia công cơ khí (tiện, phay, hàn khung inox, lắp ráp cụm dẫn động), đấu nối mạch điện - khí nén và vận hành chạy thử để đo đạc thời gian chu kỳ, năng suất thực tế và độ rung ồn.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Bảng thông số kỹ thuật và thiết kế hệ thống

Hạng mục thông số Hệ thống cấp bình 20 lít Hệ thống cấp, súc chai 0,5 lít
Phương thức cấp phôi Máng nghiêng hình hộp 3 rãnh (dùng thế năng) Mâm xoay tròn cấp phôi theo mẻ
Sức chứa mỗi lần cấp 21 – 28 bình / mẻ Khoảng 100 chai / mẻ
Cơ cấu truyền động chính Trọng lực kết hợp piston khí nén Động cơ điện tích hợp giảm tốc + Bộ truyền đai
Công suất động cơ Không dùng động cơ kéo (dùng thế năng) Động cơ chính 90W (51K90GU-SW), động cơ băng tải 25W
Quy cách băng tải Không trang bị Băng tải PVC: dài 2000 mm, rộng 100 mm
Bộ truyền đai Không trang bị Đai thang thường, đường kính bánh đai $d_1 = d_2 = 71$ mm, $l = 1000$ mm
Cơ cấu chấp hành Xilanh khí nén đẩy bình theo thứ tự rãnh Xilanh kẹp xoay $180^\circ$, quạt gió dẫn hướng, béc phun rửa
Năng suất / Thời gian chu kỳ Chờ cấp 30 giây / bình Năng suất thực tế: 60 bình (chai)/giờ; súc rửa: 5s, xoay piston: 10s
Điện áp nguồn 220V AC (cung cấp cho mạch điều khiển) 220V AC

Cấu tạo và nguyên lý vận hành từng cụm máy

[Mâm xoay chứa 100 chai] ---> [Băng tải PVC 2000mm] ---> [Cơ cấu kẹp xoay 180°] 
[Thanh dẫn hướng quạt gió] <--- [Trả lại băng tải] <--- [Buồng súc rửa 5s]

1. Hệ thống cấp bình 20 lít

Hệ thống gồm khung máng chứa bình bằng ống inox đặt nghiêng một góc $15^\circ$ so với mặt đất, chia thành 3 rãnh trượt song song. Khi công nhân nạp bình úp vào máng (vai bình tì lên 2 ống inox), bình lợi dụng trọng lực tự trượt xuống dưới.

  • Tại đáy máng, cảm biến vị trí (sensor) phát hiện bình và gửi tín hiệu kích hoạt xilanh khí nén.
  • Xilanh hoạt động đẩy bình vào thanh kẹp của hệ thống chiết rót.
  • Chu trình diễn ra lần lượt theo thứ tự: rãnh giữa trượt cấp trước, sau khi rãnh giữa hết bình, bộ định thời điều khiển xilanh bên trái đẩy bình sang giữa để cấp tiếp, sau đó chuyển tiếp sang xilanh rãnh bên phải. Cảm biến sensor timer tích hợp còi báo hiệu khi sắp hết bình trên máng.

2. Hệ thống cấp, súc chai 0,5 lít

Hệ thống gồm các cụm chức năng chính:

  • Mâm xoay cấp chai: Chứa khoảng 100 chai đặt đứng. Mâm xoay quay tròn định hướng đưa từng chai vào băng tải.
  • Băng tải vận chuyển PVC: Chiều rộng 100 mm, chiều dài 2000 mm, dẫn động bằng rulo inox đường kính $\varnothing 100$ mm kết hợp bộ truyền đai thang và động cơ điều tốc từ $0 - 80$ vòng/phút. Băng tải vận chuyển chai đến buồng súc.
  • Cụm kẹp và buồng súc rửa: Piston kẹp chai và thực hiện xoay lật $180^\circ$ đưa miệng chai chúc xuống béc phun của máy bơm áp lực trong thời gian 5 giây để súc sạch bụi bẩn, sau đó xoay trả chai lại mặt bằng băng chuyền trong 10 giây.
  • Cụm quạt gió và định hướng: Hộp quạt gió thổi luồng khí hỗ trợ đẩy và ép chai vào thanh kẹp dẫn hướng để đưa vào máy chiết rót.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc bảo đảm an toàn vệ sinh trong sản xuất nước đóng chai, sự bất cập của phương pháp thủ công và rào cản chi phí của máy ngoại nhập. Tác giả xác định rõ ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn, xác lập 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, đối tượng và phạm vi thực hiện đồ án, đồng thời tóm lược phương pháp luận nghiên cứu và kết cấu 5 chương của bản thuyết minh.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương này tổng thuật toàn diện các cơ sở lý thuyết và thực tiễn liên quan:

  • Phân loại chi tiết các cơ cấu cấp bình/chai: cơ cấu xoắn ốc thẳng đứng, cơ cấu lợi dụng độ dốc máng nghiêng, cơ cấu cấp bằng băng chuyền có chốt định vị và mâm xoay cấp theo mẻ.
  • Giới thiệu các công nghệ chiết rót chất lỏng công nghiệp: nguyên lý tràn đầy (dùng cho chất lỏng độ nhớt thấp, không ga), nguyên lý điền đầy theo thời gian (dùng cho chất lỏng lỏng, không tạo bọt, hóa chất) và nguyên lý trọng lượng tịnh (dành cho chiết rót khối lượng lớn, giá trị cao).
  • Khảo sát các công nghệ chiết rót vô trùng, đẳng áp, đẳng tích trên thế giới (công nghệ Đức, Ý - Vir Mauri) và các doanh nghiệp chế tạo máy trong nước (Trung Hậu, Đại Chính Quang, Tân Phú).
  • Đánh giá các tồn tại của hệ thống truyền thống: chiếm diện tích xưởng, độ ồn cơ khí, sự chênh lệch trọng tâm giữa bình cổ to và cổ nhỏ dễ gây lật phôi.

Chương 3: Phân tích lựa chọn đưa ra phương án cho hệ thống

Tác giả tiến hành phân tích các yêu cầu kỹ thuật, thông số thiết kế đầu vào và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cấp phôi (hình dáng phôi, rung động, sự chênh lệch trọng tâm giữa bình cổ to và cổ nhỏ, quán tính vận tốc mâm xoay so với băng tải).

  • Đưa ra các phương án so sánh kết cấu: Đối với bình 20L, phương án máng dốc 3 rãnh hình hộp nghiêng $15^\circ$ được chọn là tối ưu nhất nhờ tận dụng thế năng, cơ cấu đơn giản, chứa được 28 bình/mẻ mà không tốn động cơ kéo.
  • Đối với chai 0,5L, lựa chọn kết hợp mâm xoay tích hợp băng tải PVC, cơ cấu kẹp xoay bằng khí nén và hộp quạt gió định hướng.
  • Phân tích ưu nhược điểm của bộ truyền đai (truyền động êm, trượt an toàn khi quá tải) và hệ thống khí nén (áp suất 3 – 8 bar, sạch sẽ, an toàn cháy nổ, đáp ứng tốt tiêu chuẩn thực phẩm).

Chương 4: Tính toán, thiết kế hệ thống cấp bình 20 lít và hệ thống cấp chai 0,5 lít

Tập trung toàn bộ các bước tính toán kỹ thuật chi tiết:

  • Tính chọn động cơ và tỷ số truyền: Tính toán công suất cản ma sát băng tải ($P_{ct} = 0,13\text{ W}$), chọn động cơ 51K90GU-SW công suất định mức $P_{\text{đm}} = 90\text{ W}$, số vòng quay $n = 1300\text{ v/ph}$, tích hợp hộp giảm tốc và bộ điều tốc $0 - 80\text{ v/ph}$; chọn bổ trợ động cơ kéo băng tải 25W.
  • Tính toán bộ truyền đai thang: Chọn đường kính bánh đai chủ động và bị động $d_1 = d_2 = 71\text{ mm}$, vận tốc đai $v = 0,3\text{ m/s}$, khoảng cách trục sơ bộ $a = 71\text{ mm}$, chiều dài đai tiêu chuẩn $l = 1000\text{ mm}$, tỷ số truyền thực tế $u_t = 1,02$, số đai $z = 1$, lực căng ban đầu $F_0 = 83,3\text{ N}$.
  • Tính toán kết cấu rulo và băng tải: Chọn rulo inox $\varnothing 100\text{ mm}$, tính toán lực căng dây băng tải PVC rộng 100 mm, dài 2000 mm.
  • Tính chọn cơ cấu khí nén và bơm nước: Tính chọn xilanh piston đường kính $\varnothing 10\text{ mm}$, tính tổn thất cột áp ống dẫn để chọn bơm nước cấp buồng súc rửa; tính toán kết cấu khung chịu lực bằng thép hộp và inox.

Chương 5: Đánh giá thực nghiệm

Trình bày quá trình gia công, lắp ráp hoàn thiện mô hình máy thực tế. Tác giả tiến hành thử nghiệm riêng lẻ và đồng bộ từng cụm: hệ thống băng tải, cụm kẹp xoay khí nén, buồng súc rửa, hộp quạt gió và máng cấp bình 20 lít. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, cơ cấu chuyển động nhịp nhàng, cấp phôi đúng vị trí và đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh đã đề ra.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh gồm 2 hệ thống độc lập: Hệ thống cấp bình 20 lít bán tự động và Hệ thống cấp, súc chai 0,5 lít bán tự động.
  • Hệ thống cấp bình 20 lít chứa được $21 - 28$ bình trong một lần nạp phôi, tự động định vị và trượt cấp lần lượt qua 3 rãnh nhờ độ dốc $15^\circ$ và xilanh đẩy khí nén, thời gian chờ cấp đạt 30 giây/bình.
  • Hệ thống cấp chai 0,5 lít chứa được khoảng 100 chai trên mâm xoay, vận hành đồng bộ cùng băng tải PVC dài 2000 mm và buồng súc rửa 5 giây/chai, đạt năng suất thực tế 60 bình (chai)/giờ.
  • Toàn bộ các bộ phận tiếp xúc với bình/chai được chế tạo bằng inox và vật liệu chuyên dụng, bảo đảm không gây nhiễm bẩn vỏ chai trước khi vào máy chiết rót.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Đề xuất giải pháp công nghệ cơ khí đơn giản, thay thế hiệu quả sức lao động thủ công của công nhân trong khâu cấp phôi và súc rửa ban đầu, loại trừ nguy cơ nhiễm khuẩn chéo do tiếp xúc tay người.
  • Cung cấp phương án chế tạo máy có chi phí đầu tư thấp, kết cấu dễ bảo trì, dễ sửa chữa, phù hợp cho việc thương mại hóa và chuyển giao cho các cơ sở sản xuất nước uống tinh khiết quy mô vừa, nhỏ và hộ gia đình tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Độ cồng kềnh: Khung máng cấp bình 20 lít 3 rãnh chiếm diện tích nhà xưởng tương đối lớn.
  • Tiếng ồn: Do hoạt động chủ yếu bằng các cơ cấu cơ khí và xả khí nén từ xilanh nên quá trình vận hành vẫn phát sinh tiếng ồn nhất định.
  • Sự gián đoạn cấp phôi: Quá trình cấp bình 20 lít còn tồn tại thời gian ngắt quãng khi chuyển rãnh trượt; tấm inox đàn hồi định vị đáy máng có thể bị dãn sau thời gian dài sử dụng dẫn đến sai lệch vị trí, cần bảo dưỡng căn chỉnh định kỳ.
  • Sự mất cân bằng phôi: Do bình 20L trên thị trường có cả loại cổ to và cổ nhỏ với trọng tâm khác nhau, nếu đặt gá không chuẩn có nguy cơ bị nghiêng/lật trong quá trình trượt cấp.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm hệ thống co màng tự động cho thân và cổ bình/chai sau khi chiết rót và đóng nắp.
  • Nghiên cứu cải tiến cơ cấu kẹp và máng cấp linh hoạt có khả năng tự điều chỉnh kích thước để thích ứng hoàn toàn tự động với nhiều loại bình, quy cách cổ chai khác nhau.
  • Tự động hóa hoàn toàn khâu cấp nắp và đóng nắp tự động đồng bộ trên cùng một dây chuyền liên tục.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử và Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo thực tế về quy trình tính toán hệ dẫn động cơ khí (chọn động cơ giảm tốc, tính bộ truyền đai thang, tính băng chuyền tải, chọn rulo) và thiết kế hệ thống cấp phôi tự động kết hợp khí nén.
  • Kỹ sư thiết kế máy và cán bộ kỹ thuật: Tham khảo phương án bố trí mặt bằng, kết cấu máng trượt nghiêng $15^\circ$ dùng thế năng và kết cấu cụm kẹp xoay chai $180^\circ$ phục vụ súc rửa tự động.
  • Các cơ sở sản xuất nước uống quy mô vừa và nhỏ: Tham khảo giải pháp tự chế tạo hoặc cải tiến dây chuyền chiết rót bán tự động với chi phí thấp nhằm đáp ứng các quy định về an toàn vệ sinh thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Góc nghiêng của máng trượt cấp bình 20 lít được thiết kế là bao nhiêu độ và hoạt động theo nguyên lý nào?
Máng trượt được thiết kế nghiêng một góc $15^\circ$ so với mặt phẳng ngang. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý lợi dụng thế năng trọng trường để bình tự trượt xuống đáy rãnh inox, sau đó cảm biến phát hiện phôi sẽ kích hoạt piston khí nén đẩy bình vào thanh kẹp của máy chiết rót.

2. Sức chứa phôi tối đa trong một lần cấp của hệ thống bình 20 lít và chai 0,5 lít là bao nhiêu?
Hệ thống cấp bình 20 lít có 3 rãnh trượt chứa được từ 21 đến 28 bình trong một lần cấp. Hệ thống cấp chai 0,5 lít sử dụng mâm xoay có sức chứa khoảng 100 chai/mẻ.

3. Động cơ chính sử dụng cho hệ thống cấp chai 0,5 lít có thông số kỹ thuật như thế nào?
Hệ thống sử dụng động cơ điện mã 51K90GU-SW, công suất định mức 90W, tốc độ quay 1300 vòng/phút, nguồn điện 220V, tích hợp sẵn hộp giảm tốc và bộ điều tốc cho phép điều chỉnh từ 0 đến 80 vòng/phút.

4. Quá trình súc rửa chai 0,5 lít diễn ra như thế nào và thời gian trong bao lâu?
Khi chai di chuyển trên băng tải PVC đến vị trí súc, cơ cấu piston khí nén kẹp giữ chai và xoay $180^\circ$ chúc miệng chai xuống béc phun rửa. Thời gian súc rửa bằng nước áp lực là 5 giây, thời gian xoay lật của piston là 10 giây trước khi trả lại băng tải.

5. Đâu là giải pháp khắc phục vấn đề định hướng chai 0,5 lít sau khi súc rửa xong?
Sau khi được trả lại băng chuyền, chai 0,5 lít được dẫn hướng bằng một hộp quạt gió tạo luồng khí đẩy kết hợp cùng thanh kẹp định hướng để đưa chai ổn định vào cụm chiết rót, tránh bị nghiêng đổ do quán tính chuyển động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu tính toán, thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống cấp bình 20 lít và cấp, súc chai 0,5 lít phục vụ dây chuyền sản xuất nước uống đóng chai. Với việc kết hợp linh hoạt giữa trọng lực, bộ truyền cơ khí đai - băng tải và hệ thống điều khiển khí nén - cảm biến, thiết bị đạt năng suất 60 chai/giờ, đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế cao, phù hợp với năng lực sản xuất và điều kiện tài chính của các doanh nghiệp, cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ trong nước.