Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bánh tráng (bánh đa) là món ăn truyền thống phổ biến trong văn hóa ẩm thực Việt Nam, đồng thời là mặt hàng có tiềm năng xuất khẩu lớn phục vụ cộng đồng kiều bào và thị trường quốc tế. Tuy nhiên, phương thức sản xuất tại các làng nghề truyền thống hiện nay chủ yếu vẫn dựa vào kỹ thuật thủ công hoặc bán thủ công. Phương pháp này bộc lộ nhiều nhược điểm: năng suất thấp, tiêu tốn nhiều sức lao động, phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết (nắng, mưa) và khó kiểm soát đồng đều chất lượng sản phẩm. Đặc biệt vào các giai đoạn cao điểm như dịp Tết Nguyên đán, tình trạng thiếu hụt nguồn cung thường xuyên diễn ra.

Ở phân khúc sản xuất bằng máy, các dây chuyền hiện có trên thị trường chủ yếu chế tạo ra bánh tráng dạng vuông hoặc dải liên tục. Khi chuyển đổi sang tạo hình bánh tròn truyền thống, đa phần các hệ thống phải áp dụng công đoạn dập/cắt định hình sau khi hấp. Quy trình này để lại lượng phế phẩm biên rất lớn, làm gia tăng hao phí nguyên liệu và đẩy giá thành sản phẩm lên cao. Do đó, yêu cầu đặt ra là phải tính toán, thiết kế một hệ thống tráng hấp tự động có khả năng tạo hình trực tiếp bánh tráng tròn, mỏng, đều đặn mà không làm phát sinh phế phẩm thừa.

Đồ án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  • Mục tiêu tổng quan: Thay đổi công nghệ tráng bánh mới, thúc đẩy công nghiệp hóa ngành sản xuất bánh tráng truyền thống.

  • Mục tiêu cụ thể:

    1. Xác định các thông số kết cấu của máy.
    2. Nghiên cứu, chế tạo hệ thống tráng bánh tự động.
    3. Tính toán các thông số tối ưu cho mô hình làm việc.
    4. Hoàn thiện thiết kế kết cấu cơ khí và điều khiển.
    5. Tạo ra sản phẩm bánh tráng đạt chất lượng về độ tròn và độ dày.

  • Nhiệm vụ nghiên cứu (theo thuyết minh đề tài):

    1. Thiết kế sơ bộ hình dạng và kết cấu máy.
    2. Tính toán chọn động cơ kéo băng tải, tính toán thùng chứa bột, tính toán nhiệt độ và công suất nồi hấp.
    3. Thiết kế và mô phỏng hệ thống máy ở dạng 3D.
    4. Xuất bản vẽ kỹ thuật 2D và tiến hành gia công chi tiết.
    5. Lắp ráp hoàn chỉnh phần cơ khí và đi hệ thống điện điều khiển.
    6. Tiến hành chạy thử nghiệm và khắc phục lỗi kỹ thuật.

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị tráng, hấp bánh tráng tự động dạng tròn mỏng dùng để cuốn hoặc nướng.

  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống tráng hấp tự động với công suất thiết kế 1000 sản phẩm/giờ, đường kính bánh tiêu chuẩn $d = 330\text{ mm}$, kích thước không gian tổng thể $6 \times 0{,}6 \times 1{,}2\text{ m}$. Do giới hạn thời gian và kinh phí, phạm vi chế tạo thực nghiệm tập trung vào bộ phận tạo hình sản phẩm (cơ cấu cam rãnh), băng tải hấp và hệ thống truyền động dẫn động liên quan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật cơ khí và công nghệ chế tạo máy:

  • Lý thuyết cơ học máy và nguyên lý máy: Ứng dụng nguyên lý nội suy chuyển động tạo hình biên dạng tròn (tương tự nguyên lý nội suy đường tròn trên máy phay CNC). Chuyển động tròn của bánh được tạo thành từ sự kết hợp giữa chuyển động tịnh tiến thẳng liên tục của băng tải và chuyển động tịnh tiến qua lại vuông góc của hai thanh gạt bột thông qua cơ cấu cam rãnh dẫn hướng.
  • Thủy lực và khuấy trộn chất lỏng: Phương trình thủy động học, chuẩn số Reynolds ($Re_k$), chuẩn số công suất ($K_N$) để tính toán cánh khuấy thùng chứa huyền phù bột gạo.
  • Nhiệt kỹ thuật và truyền nhiệt: Lý thuyết ngưng tụ hơi nước bão hòa, truyền nhiệt qua vách kim loại (SUS 304), phương trình cân bằng nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu giữa buồng hấp với môi trường xung quanh nhằm xác định công suất nhiệt và lưu lượng hơi cấp.
  • Tính toán chi tiết máy: Phương pháp tính toán sức bền, bộ truyền xích, trục tang trống, ổ lăn và chọn công suất động cơ giảm tốc.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo các bước:

  • Khảo sát thực tế quy trình sản xuất thủ công và các dây chuyền bán tự động hiện hành.
  • Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành về thiết kế máy thực phẩm và truyền động cơ khí.
  • Tính toán lý thuyết giải tích các thông số nhiệt - động học.
  • Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm chuyên ngành, xuất bản vẽ gia công 2D.
  • Gia công, chế tạo cụm tạo hình thực nghiệm, lắp ráp và tiến hành tráng thử nghiệm bằng dịch bột gạo thực tế.
  • Đo đạc, đánh giá hình dạng và chất lượng lớp bột sau khi tráng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống tráng hấp bánh đa tự động được thiết kế tích hợp liên hoàn các cụm chức năng chính: cụm cấp - khuấy bột, cụm tạo hình cam rãnh, cụm buồng hấp hai giai đoạn và cụm truyền động băng tải.

Hạng mục thiết bị Phương án lựa chọn Thông số kỹ thuật tính toán thiết kế
Thùng trộn và khuấy bột Thùng trụ đứng kết hợp cánh khuấy mái chèo 4 cánh nghiêng 45° Đường kính thùng $D = 500\text{ mm}$, chiều cao $H = 500\text{ mm}$, bề dày $2\text{ mm}$; tốc độ khuấy $n = 30\text{ vòng/phút}$; công suất động cơ khuấy $P = 72\text{ W}$.
Cơ cấu cấp bột Máng cấp tự chảy có van điều chỉnh lưu lượng Đặt cao hơn mặt băng tải để tận dụng áp suất thủy tĩnh; cấp bột liên tục vào khoang máng tạo hình.
Bộ phận tạo hình Cơ cấu cam rãnh dẫn động 2 thanh gạt chuyển động tịnh tiến ngang Cam biên dạng rãnh liên kết con trượt; phối hợp với tốc độ băng tải $v = 0{,}1\text{ m/s}$ tạo biên dạng bánh tròn $d = 330\text{ mm}$.
Băng tải hấp Băng tải vải phẳng chịu nhiệt (vải Jean/For) Chiều rộng băng $B_t = 400\text{ mm}$ (vùng làm việc $b = 300\text{ mm}$, dải dự trữ $2a = 100\text{ mm}$); dẫn động qua tang trống chủ động.
Khoang hấp chín Tủ hấp kín cấp hơi bão hòa từ lò hơi độc lập Khoang 1 (kết tinh): $L_1 = 0{,}6\text{ m}$; Khoang 2 (hấp chín): $L_2 = 3\text{ m}$; chiều rộng $W_t = 0{,}5\text{ m}$, chiều cao $H_h = 0{,}17\text{ m}$; vách thép SUS 304 dày $1{,}5\text{ mm}$.
Hệ thống nhiệt Hơi nước bão hòa nhiệt độ $100^\circ\text{C}$ Nhiệt lượng có ích $Q_{ci} = 12873\text{ W}$; nhiệt tổn thất $Q_{mt} = 43065\text{ W}$; lưu lượng hơi tiêu hao $G_h = 111{,}5\text{ kg/h}$ (hiệu suất nhiệt $80%$).
Hệ thống dẫn động Động cơ điện giảm tốc kết hợp các bộ truyền xích Dẫn động đồng bộ trục tang băng tải và trục cam tạo hình thông qua các tầng truyền động xích.

Quy trình vận hành kỹ thuật: Bột gạo lỏng được khuấy liên tục trong thùng để chống lắng, sau đó chảy qua van tiết lưu xuống máng tạo hình đặt trên băng tải vải. Tại đây, chuyển động quay của trục cam biến đổi thành chuyển động tịnh tiến qua lại của hai thanh gạt, gạt màng bột tạo thành các hình tròn nối tiếp nhau trên mặt băng tải đang chạy với vận tốc $0{,}1\text{ m/s}$. Lớp bột đi vào khoang hấp thứ nhất ($0{,}6\text{ m}$) để định hình và kết tinh sơ bộ, tiếp tục qua bộ phận tạo hình thứ hai (tráng lớp tăng cường nếu cần) rồi đi vào khoang hấp chính ($3\text{ m}$) để làm chín hoàn toàn bằng hơi nước bão hòa trước khi được tách ra vỉ phên.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu tráng hấp bánh tráng nhằm giải quyết bài toán năng suất và chất lượng cho các cơ sở sản xuất. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học của việc ứng dụng nguyên lý nội suy chuyển động cơ khí để tạo hình bánh tròn và ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm sức lao động. Chương 1 cũng xác định 5 mục tiêu cụ thể, 6 nhiệm vụ chi tiết, đối tượng nghiên cứu (hệ thống tráng hấp tự động và sản phẩm bánh tráng tròn mỏng) cùng phạm vi giới hạn của đề tài (năng suất 1000 sp/h, chế tạo thực nghiệm cụm tạo hình và băng tải).

Chương 2: Tổng quan về công nghệ sản xuất bánh đa

Chương 2 tổng hợp kiến thức về bánh đa/bánh tráng, phân loại theo hình dạng (tròn, vuông), nguyên liệu (gạo, mì, bắp, khoai mì), gia vị và mục đích sử dụng (nướng, nhúng, cuốn). Tác giả phân tích chi tiết quy trình sản xuất thủ công gồm 8 bước: chuẩn bị gạo, vo gạo, ngâm gạo (3–5 giờ, tỷ lệ muối 10:1 để làm mềm, trương nở và hydrat hóa), xay bột nước, lắng bột (10–12 giờ), tráng bánh, hấp bánh bằng nồi vải (5–10 giây), trải vỉ nứa và phơi nắng tự nhiên. Đồng thời, chương này mô tả cấu tạo của dây chuyền bán thủ công hiện nay (sử dụng băng tải và tủ hấp), chỉ ra hạn chế của các hệ thống cũ là khó tạo hình bánh tròn trực tiếp và chất lượng bánh chưa ổn định.

Chương 3: Xây dựng ý tưởng và phân tích lựa chọn thiết kế hệ thống tráng hấp bánh đa tự động

Nội dung chương tập trung phân tích các yêu cầu kỹ thuật: năng suất 1000 sp/h, đường kính bánh $330\text{ mm}$, kích thước máy $6 \times 0{,}6 \times 1{,}2\text{ m}$, tuổi thọ 10 năm, đảm bảo tính liên hoàn, liên tục, tự động và kinh tế. Tác giả so sánh chi tiết các phương án thiết kế cho từng cụm:

  • Cụm cấp bột: So sánh giữa máng cấp tự chảy có van điều chỉnh và cấp bột bằng trục cuộn. Phương án máng tự chảy được chọn nhờ kết cấu đơn giản, giá thành thấp, dễ chế tạo và vệ sinh.
  • Cụm hấp: So sánh giữa đốt nhiệt trực tiếp dưới băng hấp và cấp hơi từ nồi hơi độc lập. Phương án dùng nồi hơi cấp qua tủ hấp kín được chọn để đảm bảo lưu lượng, nhiệt độ ổn định và năng suất cao.
  • Cụm tạo hình: So sánh giữa băng tải đục lỗ, cơ cấu dập/cắt định hình sau hấp và cơ cấu cam rãnh gạt bột. Cơ cấu cam rãnh được chọn làm giải pháp tối ưu vì tạo được sản phẩm tròn đều trực tiếp, điều chỉnh được độ dày, không gây phế phẩm thừa và có tính linh hoạt cao.

Chương 4: Tính toán thiết kế các bộ phận của hệ thống tráng bánh đa tự động

Chương 4 là phần tính toán kỹ thuật chi tiết với các kết quả cụ thể:

  • Thiết kế khâu trộn: Thùng chứa thể tích $V = 0{,}06\text{ m}^3$ ($D = 500\text{ mm}$, mức lỏng $H = 0{,}3\text{ m}$, chiều cao thiết bị $H_T = 0{,}4\text{ m}$, chọn thùng $500 \times 500\text{ mm}$). Với khối lượng dịch $G = 60\text{ kg}$, độ nhớt $\vartheta = 1{,}698$, khối lượng riêng $\rho = 990\text{ kg/m}^3$, cánh khuấy 4 cánh nghiêng $45^\circ$ quay $n = 30\text{ vg/ph}$ đạt chuẩn số $Re_k = 250{,}51$ (chế độ chảy tầng), chuẩn số $K_N = 3{,}29$. Công suất cánh khuấy tính được là $0{,}057\text{ kW}$, chọn động cơ khuấy $N_{dc} = 72\text{ W}$ (với hệ số an toàn $\beta = 1{,}15$, hiệu suất $\eta = 0{,}92$).
  • Tính toán khâu hấp: Xác định vận tốc băng tải $v = 0{,}1\text{ m/s}$. Chiều dài khoang hấp thứ nhất $L_1 = 0{,}6\text{ m}$, khoang hấp thứ hai $L_2 = 3\text{ m}$. Chiều rộng khoang hấp $W_t = 0{,}5\text{ m}$, chiều cao $H_h = 0{,}17\text{ m}$ ($h_1 = 0{,}07\text{ m}$, $h_2 = 0{,}1\text{ m}$).
  • Tính toán nhiệt: Tính hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ màng $\alpha_1 = 6259\text{ W/m}^2\text{K}$ tại $t_m = 99{,}5^\circ\text{C}$; đường kính tương đương buồng hấp $d_{t\text{đ}} = 0{,}4\text{ m}$; vách inox SUS 304 dày $\delta = 1{,}5\text{ mm}$ ($\lambda = 47\text{ W/mK}$). Diện tích trao đổi nhiệt $F = 6{,}6\text{ m}^2$. Tính toán nhiệt tổn thất môi trường $Q_{mt} = 43065\text{ W}$, nhiệt lượng có ích làm chín bột $Q_{ci} = 12873\text{ W}$ (với lưu lượng bột $G_b = 0{,}047\text{ kg/s}$, $C_b = 3652\text{ J/kgK}$). Tổng lượng hơi nước tiêu hao tính toán là $G_h = 111{,}5\text{ kg/h}$ (ở hiệu suất nhiệt $80%$).
  • Tính toán băng tải: Chọn băng vải Jean/For chịu nhiệt, bề rộng băng $B_t = 400\text{ mm}$ ($b = 300\text{ mm}$, $a = 50\text{ mm}$). Tính toán công suất dẫn động băng tải trên trục tang với năng suất khối lượng $G_2 = 170\text{ kg/h}$.
  • Tính toán truyền động: Tính toán các bộ truyền xích từ motor giảm tốc sang trục tang chủ động, từ trục tang sang trục cam và bộ truyền xích giữa hai trục cam đồng bộ.

Chương 5: Chế tạo và thử nghiệm

Chương 5 trình bày quá trình chế tạo thực tế các chi tiết: trục tang, thanh gạt bột, máng chứa bột, cam tạo hình và khung máy. Tác giả tiến hành lắp ráp cụm tạo hình và bộ truyền động lên khung đỡ, sau đó thực hiện các đợt tráng thử nghiệm bằng dung dịch bột gạo thực tế. Kết quả thử nghiệm qua các mẫu bánh 1, 2, 3 cho thấy màng bột được dàn đều, tạo được hình dạng tròn rõ nét, kiểm chứng tính khả thi của cơ cấu cam rãnh trong việc tạo hình màng mỏng liên tục.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Xây dựng hoàn chỉnh bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật, bản vẽ 3D và 2D cho hệ thống tráng hấp bánh đa năng suất 1000 sp/h.
    • Xác định chính xác các thông số vận hành: tốc độ băng tải $0{,}1\text{ m/s}$, công suất khuấy $72\text{ W}$, lưu lượng hơi tiêu thụ $111{,}5\text{ kg/h}$, kích thước buồng hấp hai cấp ($0{,}6\text{ m}$ và $3\text{ m}$).
    • Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm của bộ phận tạo hình cam rãnh và hệ thống truyền động băng tải.
    • Thử nghiệm thực tế chứng minh màng bánh được gạt tròn, đều đặn, không bị lem và có thể thay đổi độ dày theo khe hở thanh gạt.
  • Giải pháp và đóng góp của đề tài:
    • Đề xuất cơ cấu tạo hình bánh tròn tự động bằng cam rãnh kết hợp thanh gạt tịnh tiến ngang trên băng tải chạy thẳng, khắc phục triệt để nhược điểm sinh ra phế phẩm của phương pháp dập/cắt sau hấp.
    • Cho phép linh hoạt chuyển đổi giữa sản xuất bánh tròn và bánh vuông trên cùng một kết cấu máy cơ bản mà không cần thay đổi toàn bộ dây chuyền.
    • Thiết kế hệ thống hấp kín hai giai đoạn cấp hơi từ nồi hơi riêng, giúp ổn định nhiệt độ ($100^\circ\text{C}$), nâng cao hiệu suất làm chín bánh và giảm tiêu hao năng lượng so với phương pháp đun trực tiếp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Do giới hạn về thời gian và kinh phí thực hiện, đề tài mới chỉ gia công, chế tạo thử nghiệm ở quy mô mô hình cụm tạo hình và băng tải dẫn động, chưa chế tạo hoàn chỉnh toàn bộ dây chuyền thực tế có tích hợp tủ hấp và nồi hơi công nghiệp.
    • Cơ cấu cam rãnh đòi hỏi độ chính xác gia công cơ khí cao để tránh hiện tượng kẹt khớp hoặc mòn rãnh cam khi vận hành ở tốc độ cao trong thời gian dài.
    • Phương án sử dụng nồi hơi cấp hơi riêng làm tăng chi phí đầu tư ban đầu đối với các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ lẻ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Gia công, hoàn thiện toàn bộ hệ thống buồng hấp cách nhiệt và lắp đặt hệ thống cấp hơi bão hòa hoàn chỉnh.
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống tự động bóc tách bánh sau hấp, chuyển bánh lên băng tải phên và kết nối với buồng sấy tự động liên hoàn.
    • Tối ưu hóa biên dạng cam và vật liệu con trượt nhằm giảm ma sát, nâng cao tuổi thọ và độ ổn định cơ khí khi chạy liên tục.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp luận tính toán chi tiết một hệ thống máy cơ khí hoàn chỉnh từ khâu khuấy trộn thủy lực, tính toán nhiệt buồng hấp, thiết kế bộ truyền động xích đến nguyên lý biến đổi chuyển động bằng cơ cấu cam rãnh.
  • Kỹ sư thiết kế máy chế biến thực phẩm: Tham khảo giải pháp tạo hình sản phẩm dạng màng mỏng liên tục mà không sinh phế phẩm biên.
  • Các cơ sở chế biến bánh tráng truyền thống: Cung cấp cơ sở khoa học và thông số kỹ thuật để từng bước chuyển đổi từ phương thức sản xuất thủ công sang dây chuyền tự động hóa, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu tạo hình trong đồ án hoạt động theo nguyên lý nào để tạo ra bánh tráng hình tròn?
Bộ phận tạo hình ứng dụng nguyên lý nội suy chuyển động (tương tự máy phay CNC). Khi trục cam quay đồng bộ với vận tốc dài của băng tải, rãnh cam sẽ dẫn động hai thanh gạt chuyển động tịnh tiến qua lại theo phương vuông góc với chiều chuyển động của băng tải. Sự kết hợp giữa chuyển động thẳng của băng tải và chuyển động ngang của hai thanh gạt giúp gạt lớp bột thành các biên dạng hình tròn liên tiếp trên mặt băng.

2. Vì sao đồ án lựa chọn phương án tủ hấp dùng nồi hơi riêng thay vì nồi đun trực tiếp dưới băng tải?
Phương pháp tủ hấp kín cấp hơi từ nồi hơi riêng giúp duy trì lượng hơi và nhiệt độ ổn định ($100^\circ\text{C}$), kết cấu tủ hấp gọn gàng, cách nhiệt tốt và giảm tổn thất nhiệt ra môi trường. Ngoài ra, việc dùng nồi hơi độc lập cho phép dễ dàng nâng công suất, mở rộng dây chuyền và phù hợp với yêu cầu làm việc tự động liên tục, khắc phục nhược điểm tiêu tốn nhiều nhiệt lượng và khó kiểm soát nhiệt của nồi đun trực tiếp.

3. Băng tải hấp sử dụng loại vật liệu gì và kích thước được tính toán như thế nào?
Băng tải hấp sử dụng vải chịu nhiệt đặc biệt (thường là vải Jean hoặc vải For) có bề mặt phẳng. Để tráng được bánh có đường kính tính toán $d = 300\text{ mm}$ với dải biên dự trữ hai bên $a = 50\text{ mm}$, chiều rộng băng tải vải được xác định là $B_t = b + 2a = 300 + 2 \times 50 = 400\text{ mm}$.

4. Khâu khuấy trộn bột gạo được tính toán với các thông số kỹ thuật nào?
Thùng khuấy có kích thước đường kính $D = 500\text{ mm}$, chiều cao $H = 500\text{ mm}$, chứa khối lượng dung dịch $60\text{ kg}$ (khối lượng riêng $990\text{ kg/m}^3$). Cánh khuấy kiểu mái chèo 4 cánh nghiêng $45^\circ$, quay với tốc độ $30\text{ vòng/phút}$, chế độ chảy tầng ($Re_k = 250{,}51$), công suất động cơ khuấy được tính toán và lựa chọn là $72\text{ W}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống tráng hấp bánh đa tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa quy trình sản xuất bánh tráng tròn mỏng truyền thống với năng suất thiết kế 1000 sản phẩm/giờ. Đề tài đã hoàn thành việc tính toán động lực học, tính toán nhiệt - thủy lực cho các cụm chức năng và đề xuất thành công giải pháp tạo hình bánh tròn bằng cơ cấu cam rãnh giúp loại bỏ hoàn toàn phế phẩm cắt gọt. Kết quả chế tạo và thử nghiệm mô hình thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của phương pháp thiết kế, mở ra khả năng ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp hóa ngành sản xuất bánh tráng tại Việt Nam.