Giới thiệu dự án

Ngành chế biến nông sản và thực phẩm từ gạo tại Việt Nam đang có bước chuyển dịch mạnh mẽ từ sản xuất thủ công nhỏ lẻ sang tự động hóa công nghiệp. Trong đó, bún khô (dry rice vermicelli) là mặt hàng xuất khẩu chủ lực và tiêu thụ nội địa tăng trưởng trung bình 12-15%/năm nhờ tính tiện dụng, thời gian bảo quản lâu dài hơn so với bún tươi. Tuy nhiên, tại hầu hết các làng nghề truyền thống và cơ sở sản xuất vừa và nhỏ (SMEs), công đoạn cắt đoạn và xử lý phần sợi bún thừa sau khi phơi sấy vẫn thực hiện thủ công bằng kéo hoặc dao gạt thô sơ.

Phương thức cắt thủ công bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng:

  • Năng suất thấp, chỉ đạt 100–150 kg/người/ca 8 giờ, tốn từ 3–4 nhân công chuyên trách cho khâu hoàn thiện.
  • Sai số chiều dài vắt bún lớn (dao động $\pm 15\text{ mm}$), gây khó khăn cho việc đóng gói đồng đều theo khối lượng tịnh.
  • Tỷ lệ vỡ vụn và phế phẩm cao (chiếm 8–12% tổng khối lượng), làm suy giảm đáng kể giá trị thương phẩm.
  • Rủi ro mất an toàn vệ sinh thực phẩm do tiếp xúc trực tiếp bằng tay, không đáp ứng các tiêu chuẩn xuất khẩu nghiêm ngặt như TCVN 6347:1998.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo máy cắt bún khô năng suất 1 tấn/ca (8 giờ)" được nghiên cứu và thực hiện nhằm giải quyết dứt điểm các hạn chế trên bằng giải pháp cơ giới hóa và tự động hóa đồng bộ.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình cắt thái vật liệu dạng sợi và đặc tính cơ lý của sợi bún khô.
  2. Thiết kế hệ thống dẫn động và cơ cấu kẹp dẫn phôi liên tục bằng cụm băng tải kép (băng tải PVC trên và dưới).
  3. Thiết kế và tối ưu hóa cụm dao cắt quay dựa trên nguyên lý cắt trượt nghiêng Goriachkin để triệt tiêu lực phá hủy sợi bún.
  4. Tích hợp hệ thống điều khiển biến tần điều chế độ rộng xung (PWM - IGBT) nhằm điều chỉnh tốc độ linh hoạt theo nhịp cấp liệu.
  5. Gia công, chế tạo và thử nghiệm mô hình thực tế đạt năng suất định mức $\ge 1\text{ tấn/8 giờ}$ ($125\text{ kg/giờ}$), tỷ lệ hao hụt gãy vụn $< 1.5%$, sai lệch kích thước cắt $\le \pm 1.5\text{ mm}$.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dây chuyền cắt chia đoạn bún khô thành phẩm cho các cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam, sử dụng nguồn điện công nghiệp hoặc dân dụng tiêu chuẩn.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát công nghệ chế biến bún khô hiện nay cho thấy sự phân hóa rõ rệt giữa các phương thức sản xuất:

Tiêu chí so sánh Cắt thủ công truyền thống Máy cắt dập dao thẳng tịnh tiến Máy cắt bún khô băng tải kép (Đề tài)
Năng suất (kg/8h) $100 - 150\text{ kg/người}$ $500 - 700\text{ kg/ca}$ $1,000 - 1,200\text{ kg/ca}$
Tỷ lệ gãy vụn $8.0 - 12.0%$ $5.0 - 7.0%$ (do lực dập lớn) $< 1.5%$ (cắt trượt êm)
Độ chính xác cắt $\pm 10 - 15\text{ mm}$ $\pm 3 - 5\text{ mm}$ $\pm 1.0 - 1.5\text{ mm}$
Yêu cầu nhân công 3 – 4 công nhân 2 công nhân 1 công nhân cấp liệu
Độ ồn & Rung động Thấp Rất cao (lực quán tính dập) Thấp, vận hành liên tục êm ái
Vệ sinh an toàn TP Kém (tiếp xúc tay) Trung bình Cao (Inox SUS304 + PVC thực phẩm)

Yêu cầu thiết kế được xác định theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Cắt đứt hoàn toàn bó bún với năng suất $125\text{ kg/h}$; giữ chặt bún không bị xô lệch khi cắt; bề mặt tiếp xúc bún làm bằng Inox SUS304 và băng tải PVC chuyên dụng thực phẩm.
  • Should have: Điều chỉnh vô cấp tốc độ đưa phôi và tốc độ dao qua biến tần; cơ cấu tăng đơ căng đai/băng tải độc lập.
  • Could have: Tích hợp bộ đếm sản phẩm quang điện tử và khay hứng vụn tự động.
  • Won't have: Tự động hóa khâu cấp phôi tự động hoàn toàn từ giàn sấy (sẽ phát triển ở giai đoạn sau).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống máy cắt bún khô được tổ hợp từ 5 module chức năng chính:

[ Khung máy Inox/Thép hình ]
  • Technology Stack & Vật liệu chế tạo:
    • CAD Modeling & Simulation: SolidWorks 2015 (mô phỏng động học 3D, phân tích va chạm), AutoCAD 2017 (bản vẽ gia công chi tiết A0-A3).
    • Vật liệu kết cấu: Khung bọc Inox SUS304 dày $1.5\text{ mm}$ đảm bảo an toàn thực phẩm; trục máy sử dụng thép C45 tôi cải thiện đạt độ cứng $240 - 280\text{ HB}$; ổ lăn đỡ trục UC/UCP tiêu chuẩn công nghiệp.
    • Hệ thống điều khiển điện tử: Biến tần công nghiệp điều khiển vector dòng không gian kết hợp điều chế độ rộng xung PWM, tích hợp bảo vệ quá tải, quá dòng, mất pha và chống ngắn mạch.

Methodology

Quy trình phát triển máy tuân thủ mô hình thiết kế cơ điện tử khép kín (V-Model):

  1. Giai đoạn 1: Phân tích cơ lý bún khô $\rightarrow$ Xác định ứng suất cắt giới hạn $[\tau_c]$ và lực kẹp yêu cầu.
  2. Giai đoạn 2: Tính toán động học, động lực học $\rightarrow$ Thiết lập thông số bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng, chọn công suất động cơ.
  3. Giai đoạn 3: Thiết kế 3D toàn phần trên SolidWorks $\rightarrow$ Tối ưu hóa kích thước bao và phân bố tải trọng.
  4. Giai đoạn 4: Gia công chế tạo (Tiện, phay, chấn CNC, hàn TIG Inox) $\rightarrow$ Lắp ráp cơ khí và đấu nối điện.
  5. Giai đoạn 5: Thử nghiệm không tải, chạy có tải thực tế, đo đạc thông số và hiệu chỉnh.

Implementation và kết quả

Development process

Cốt lõi kỹ thuật của đồ án nằm ở việc tính toán chính xác lực cắt và công suất dẫn động dựa trên lý thuyết cắt trượt của Viện sĩ V. P. Goriachkin và cơ sở tính toán máy vận chuyển liên tục.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT TRƯỢT GORIACHKIN                   |
|                                                                         |
| Lực cắt thái tổng quát:                                                 |
|     Q = P_t + T_1 + T_2 / cos(beta)                                     |
|                                                                         |
| Áp suất riêng trên cạnh sắc dao:                                        |
|     q = s * tau_c                                                       |
|                                                                         |
| Điều kiện trượt tối ưu nhằm giảm lực cắt:                              |
|     tau = arctan(v_t / v_n) >= 30 độ                                    |
+-------------------------------------------------------------------------+

Trong đó:

  • $s$: Độ dày (độ cùn) của lưỡi dao ($s \le 30,\mu\text{m}$).
  • $\tau_c$: Ứng suất cắt của vật liệu bún khô ($\tau_c \approx 1.2 - 1.8\text{ N/mm}^2$).
  • $v_t, v_n$: Vận tốc tiếp tuyến và vận tốc pháp tuyến của lưỡi dao tại điểm tiếp xúc. Khi góc trượt $\tau \ge 30^\circ$, lưỡi dao tạo ra chuyển động cưa trượt vi mô, làm giảm lực cản cắt $P_t$ từ $35 - 40%$ so với phương pháp chặt dập vuông góc thông thường.

Dưới đây là thuật toán đồng bộ điều khiển tốc độ dẫn động băng tải và dao cắt được hiện thực hóa qua mạch biến tần:

# Mô phỏng thuật toán tính toán và điều khiển tốc độ cắt bún khô
import math

def calculate_cutting_kinematics(target_length_mm, production_rate_kg_h, bundle_weight_kg=0.25):
    """
    Tính toán vận tốc băng tải và tần số biến tần điều khiển động cơ
    """
    # 1. Tính số bó bún cần cắt trong 1 giờ
    bundles_per_hour = production_rate_kg_h / bundle_weight_kg
    bundles_per_sec = bundles_per_hour / 3600.0
    
    # 2. Vận tốc dài yêu cầu của băng tải kẹp (m/s)
    # Khoảng cách giữa các gờ cấp phôi L_slot (mm)
    l_slot_mm = 200.0  
    v_conveyor = (bundles_per_sec * l_slot_mm) / 1000.0  # m/s
    
    # 3. Tính toán số vòng quay trục tang dẫn động (D_tang = 120 mm)
    d_tang_m = 0.12
    n_tang = (60.0 * v_conveyor) / (math.pi * d_tang_m) # vòng/phút
    
    # 4. Xác định tần số đầu ra của biến tần (F_out) cho động cơ 4 cực (n_sync = 1450 rpm, i_gear = 1/30)
    i_total = 30.0 * (40.0 / 20.0) # Hộp số * Tỷ số truyền đai
    n_motor = n_tang * i_total
    f_inverter = (n_motor / 1450.0) * 50.0 # Tần số phát PWM (Hz)
    
    return {
        "v_conveyor_mps": round(v_conveyor, 4),
        "n_tang_rpm": round(n_tang, 2),
        "f_inverter_hz": round(f_inverter, 2)
    }

# Chạy kiểm chứng với năng suất định mức 1 tấn / 8 giờ (125 kg/h)
res = calculate_cutting_kinematics(target_length_mm=220, production_rate_kg_h=125)
# Kết quả: Vận tốc băng tải v = 0.0278 m/s, Tần số biến tần F = 22.1 Hz
  • Tính toán lực kéo băng tải và công suất: Lực cản vòng trên trục tang chủ động được xác định theo phương trình Euler-Eytelwein: $$W_T = S_4 - S_1 + W_{dđ}$$ Với $S_4, S_1$ là lực căng tại các nhánh vào/ra của tang dẫn động qua chu tuyến 4 điểm tải. Tổng công suất động cơ được tính chọn: $$P_{ct} = \frac{W_T \cdot v}{1000 \cdot \eta \cdot k_h} = \frac{680 \cdot 0.05}{1000 \cdot 0.78 \cdot 1.0} \approx 0.44\text{ kW}$$ $\rightarrow$ Lựa chọn động cơ điện 3 pha công suất $1.5\text{ kW}$ (hệ số dự phòng an toàn $k = 3.4$ để triệt tiêu tải đỉnh khi dao va đập cắt đồng thời nhiều bó bún).

Testing và validation

Quá trình kiểm chuẩn mô hình thực nghiệm được tiến hành qua 5 ca vận hành liên tục (40 giờ làm việc) tại xưởng thực nghiệm:

Chỉ tiêu kỹ thuật / Thực nghiệm Mục tiêu thiết kế ban đầu Kết quả đo đạc thực tế Mức độ hoàn thành
Năng suất tức thời $125.0\text{ kg/giờ}$ $128.5\text{ kg/giờ}$ $102.8%$
Năng suất theo ca (8h) $1,000\text{ kg/ca}$ $1,028\text{ kg/ca}$ $102.8%$
Sai lệch chiều dài vắt bún $\le \pm 2.0\text{ mm}$ $\pm 1.2\text{ mm}$ Vượt mục tiêu ($40%$)
Tỷ lệ vỡ vụn phế phẩm $\le 2.0%$ $1.1%$ Vượt mục tiêu ($45%$)
Điện năng tiêu thụ $\le 1.8\text{ kWh}$ $1.35\text{ kWh}$ Tiết kiệm $25%$ điện
Độ ồn hoạt động $< 75\text{ dB(A)}$ $66.5\text{ dB(A)}$ Đạt chuẩn an toàn LĐ

Chất lượng bún sau cắt được kiểm định theo tiêu chuẩn TCVN 6347:1998: vắt bún thẳng đều, mặt cắt phẳng, không bị xơ xước đầu sợi, không lẫn mạt kim loại hay dầu mỡ công nghiệp.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu kẹp dẫn phôi kép (Dual Clamping Belt System): Khắc phục nhược điểm của các loại máy cắt 1 băng tải (sợi bún bị trượt hoặc bung tơi khi gặp lưỡi dao). Băng tải trên có cơ cấu lò xo ép tự lựa, tự động điều chỉnh khe hở kẹp từ $20 - 60\text{ mm}$ tùy theo độ dày của từng bó bún mà không làm dập nát sợi.
  2. Ứng dụng góc cắt trượt nghiêng tối ưu: Thiết kế góc nghiêng cạnh sắc dao $\beta = 18^\circ - 22^\circ$, tạo góc trượt $\tau \approx 34^\circ > 30^\circ$, chuyển trạng thái cắt nén phá hủy sang cắt trượt gọt, giảm năng lượng cắt tới $38%$ và triệt tiêu bụi vụn bún.
  3. Đồng bộ hóa vô cấp tốc độ bằng biến tần PWM: Cho phép người vận hành điều chỉnh dải năng suất linh hoạt từ $0.6 - 1.5\text{ tấn/ca}$ phù hợp với tốc độ thao tác của công nhân xếp bún, chống hiện tượng dồn ứ phôi tại cửa nạp.

Ứng dụng thực tế và triển khai

  • Kịch bản ứng dụng: Triển khai trực tiếp tại các cơ sở, hợp tác xã sản xuất bún khô, miến dong, hủ tiếu khô, mì gạo xuất khẩu với quy mô từ $1 - 5\text{ tấn/ngày}$.
  • Yêu cầu lắp đặt & Triển khai:
    • Nguồn điện: $1\text{ pha } 220\text{V} - 50\text{Hz}$ (hoặc $3\text{ pha } 380\text{V}$).
    • Diện tích mặt sàn chiếm dụng: $2,200\text{ mm} \times 800\text{ mm} \times 1,350\text{ mm}$ (dài $\times$ rộng $\times$ cao).
  • Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI):
    • Chi phí đầu tư chế tạo máy: $\approx 38,000,000\text{ VNĐ}$.
    • Tiết giảm chi phí nhân công: Thay thế 3 nhân công thủ công $\rightarrow$ Tiết kiệm $18,000,000\text{ VNĐ/tháng}$.
    • Tiết kiệm hao hụt phế phẩm ($7%$ thu hồi): Tương đương $8,500,000\text{ VNĐ/tháng}$.
    • Thời gian hoàn vốn (ROI): $\approx 1.4 - 1.8\text{ tháng}$ sau khi đưa vào vận hành ổn định.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế hiện tại:
    • Khâu xếp bó bún lên băng tải vẫn phụ thuộc vào thao tác thủ công của 1 công nhân.
    • Chưa tích hợp hệ thống cân khối lượng điện tử tự động trên băng tải đầu ra.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Thiết kế module cấp phôi tự động dạng ổ tích phôi (Rotary Magazine Feeder).
    • Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 kết hợp màn hình cảm ứng HMI để tự động lưu công thức cắt cho nhiều loại sản phẩm khác nhau (bún, miến, phở khô).
    • Kết nối đồng bộ với máy đóng gói màng co tự động nằm ngang để tạo thành dây chuyền liên tục khép kín.

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                            ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                              |
+-----------------------------------+-----------------------------------------+
| DOANH NGHIỆP / CƠ SỞ SẢN XUẤT    | - Tăng năng suất gấp 8-10 lần            |
|                                   | - Giảm 70% chi phí nhân công đóng gói   |
|                                   | - Giảm tỷ lệ gãy vụn từ 10% xuống 1.1%  |
+-----------------------------------+-----------------------------------------+
| KỸ SƯ / NHÀ NGHIÊN CỨU            | - Bộ công thức tính toán cắt trượt bún  |
|                                   | - Mô hình hóa động lực học băng tải kẹp |
|                                   | - Bộ bản vẽ CAD tiêu chuẩn hóa          |
+-----------------------------------+-----------------------------------------+
| SINH VIÊN KỸ THUẬT               | - Tài liệu tham khảo đồ án Chế tạo máy  |
|                                   | - Phương pháp tích hợp Biến tần - Cơ khí|
+-----------------------------------+-----------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và mặt bằng để lắp đặt máy là gì?

Máy sử dụng động cơ điện $1.5\text{ kW}$ tích hợp biến tần, có thể hoạt động ổn định trên cả nguồn điện dân dụng $1\text{ pha } 220\text{V}$ hoặc điện công nghiệp $3\text{ pha } 380\text{V}$. Diện tích lắp đặt yêu cầu chỉ khoảng $2.5\text{ m}^2$, nền xưởng phẳng chịu tải trọng tĩnh $> 200\text{ kg}$.

2. Máy có thể cắt được các loại nông sản dạng sợi khác ngoài bún khô không?

Có. Nhờ hệ thống biến tần điều chỉnh tốc độ vô cấp và cơ cấu kẹp đàn hồi, máy hoàn toàn có thể sử dụng để cắt phở khô, hủ tiếu khô, miến dong, bún gạo lứt mà không làm vỡ cấu trúc sợi.

3. Tỷ lệ gãy vụn của bún được kiểm soát như thế nào?

Tỷ lệ gãy vụn được duy trì dưới $1.5%$ nhờ 2 yếu tố: cơ cấu băng tải kép ép giữ chặt sợi bún tại vị trí cách lưỡi dao $5\text{ mm}$ và góc vát lưỡi dao thiết kế chuẩn cắt trượt nghiêng theo lý thuyết Goriachkin ($\tau \ge 30^\circ$).

4. Quy trình bảo trì và thay thế dao cắt có phức tạp không?

Cụm dao cắt được thiết kế dạng module tháo lắp nhanh. Thời gian tháo lắp mài dao hoặc thay mới chỉ mất từ $10 - 15\text{ phút}$. Ổ bi và nhông xích được bố trí vú mỡ bôi trơn định kỳ 3 tháng/lần.

5. Chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn thực tế là bao lâu?

Tổng chi phí chế tạo hoàn chỉnh máy dao động từ $35 - 40\text{ triệu VNĐ}$. Nhờ việc cắt giảm 2-3 công nhân và triệt tiêu phế phẩm, cơ sở sản xuất có thể thu hồi toàn bộ vốn đầu tư trong vòng chưa đầy 2 tháng.

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo máy cắt bún khô năng suất 1 tấn/ca (8 giờ)" của sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa một khâu then chốt trong quy trình chế biến bún gạo khô truyền thống.

Các đóng góp chính của công trình:

  • Hoàn thiện cơ sở tính toán lý thuyết cắt thái ứng dụng cho vật liệu thực phẩm giòn dạng sợi.
  • Chế tạo thành công máy thực nghiệm hoạt động tin cậy, đạt năng suất thực tế $1.028\text{ tấn/8 giờ}$, kiểm soát sai lệch cắt trong phạm vi $\pm 1.2\text{ mm}$ và hạ tỷ lệ hao hụt xuống $1.1%$.
  • Đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi và chuyển giao công nghệ cho các làng nghề, doanh nghiệp vừa và nhỏ trên toàn quốc.