Thiết kế và chế tạo mô hình máy ép cơm phục vụ dây chuyền sản xuất cơm cháy

Đồ án thiết kế và chế tạo mô hình máy ép cơm sản xuất cơm cháy tại Đại học SPKT TPHCM

• Tác giả: Trương Phan Bảo
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Thị Vân Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo mô hình máy ép cơm phục vụ dây chuyền sản xuất cơm cháy
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế chế tạo mô hình máy ép cơm sản xuất cơm cháy

Đề tài thiết kế và chế tạo mô hình máy ép cơm phục vụ dây chuyền sản xuất cơm cháy xuất phát từ Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài do Thạc sĩ Dương Thị Vân Anh hướng dẫn cùng nhóm sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy thực hiện vào năm 2023. Mục tiêu trọng tâm là cơ giới hóa công đoạn cán mỏng và định hình phôi cơm cháy. Quy trình truyền thống thường sử dụng khuôn thủ công. Phương pháp cũ gây tốn nhiều sức lao động và năng suất thấp. Độ dày bánh không đồng đều làm giảm chất lượng sấy và chiên. Thiết bị mới sở hữu chiều dài 2m, chiều rộng 0,6m và chiều cao 1,2m. Máy tích hợp băng tải tiếp liệu, cụm rulo cán phẳng và cơ cấu dao cắt tự động. Cấu trúc máy được mô phỏng chi tiết trên phần mềm Autodesk Inventor và AutoCAD. Nghiên cứu giải quyết bài toán tự động hóa cho các cơ sở chế biến thực phẩm vừa và nhỏ. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi cao trong việc chuyển giao công nghệ vào thực tiễn.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT TPHCM

Cơm cháy chà bông là món ăn truyền thống được tiêu thụ mạnh tại thị trường Việt Nam. Nhu cầu xuất khẩu sang các quốc gia Đông Nam Á cũng không ngừng tăng trưởng. Tuy nhiên, nhiều cơ sở sản xuất vẫn duy trì phương pháp gia công thủ công. Thao tác dùng chày hoặc con lăn ép tay khiến bánh cơm có độ dày không đồng nhất. Năng suất lao động chỉ đạt mức hạn chế. Công đoạn thủ công cũng làm tăng nguy cơ nhiễm khuẩn thực phẩm. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh hình thành nhằm xử lý các nhược điểm này. Việc thiết kế mô hình máy cơ khí chuyên dụng tạo nền tảng hiện đại hóa quy trình làm cơm cháy công nghiệp. Thiết bị đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao về kích thước.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật và thông số thiết kế mô hình

Hệ thống máy ép cơm hướng tới vận hành liên tục trên dây chuyền. Kích thước tổng thể của máy bao gồm chiều dài 2000 mm, chiều rộng 600 mm và chiều cao 1200 mm. Máy sử dụng nguồn điện công nghiệp thích hợp cho các xưởng chế biến. Toàn bộ bề mặt tiếp xúc trực tiếp với hạt cơm được gia công từ thép không gỉ inox 304. Vật liệu này chống ăn mòn hóa học và đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Đồ án ứng dụng kỹ thuật mô hình hóa 3D nhằm tính toán sức bền chi tiết. Các thông số động học của động cơ và tỷ số truyền hộp giảm tốc được xác định chính xác. Máy hoàn chỉnh cung cấp phôi bánh đồng đều, hỗ trợ đắc lực cho công đoạn sấy nhiệt phía sau.

II. Thực trạng và phân tích nhu cầu máy ép cơm sản xuất cơm cháy

Khảo sát thực tế thị trường cho thấy ngành chế biến cơm cháy đang chuyển mình mạnh mẽ. Các doanh nghiệp lớn như Tech Garden hay Cơ khí Viễn Đông đã giới thiệu máy định hình bánh chuyên dụng. Điển hình là model Hdcn100-I với công suất 0,55 kW và năng suất 35 cái mỗi phút. Thiết bị công nghiệp sẵn có đạt độ chính xác cao nhưng chi phí nhập môn đắt đỏ. Khung máy nhập ngoại cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng. Những cơ sở kinh doanh vừa và nhỏ gặp rào cản tài chính khi muốn cơ giới hóa dây chuyền. Hơn nữa, phương pháp thủ công lại gây thất thoát nguyên liệu lớn do mép bánh bị vỡ vụn. Tỷ lệ hạt cơm dính bết vào bề mặt ép gây khó khăn cho việc vệ sinh định kỳ. Nhu cầu cấp thiết đặt ra là phải có dòng máy ép cơm nội địa gọn nhẹ. Máy cần có năng suất ổn định, cơ cấu cơ khí đơn giản và dễ bảo trì sửa chữa. Thiết kế phải giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu cho doanh nghiệp.

2.1. Hạn chế của công nghệ ép cơm thủ công truyền thống

Công đoạn ép thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào sức người. Thợ làm bánh dùng lực tay ép cơm vào khuôn gỗ hoặc khuôn kim loại nhỏ. Lực ép giữa các mẻ bánh không có sự đồng nhất. Một số mẻ bị nén quá chặt làm hạt cơm vỡ nát, khó hút dầu khi chiên. Một số mẻ lại quá xốp dẫn đến hiện tượng gãy vụn khi sấy khô. Năng suất lao động theo phương pháp này rất thấp, chỉ khoảng vài kg cơm mỗi giờ. Điều này khiến xưởng không thể nhận các đơn hàng quy mô lớn. Ngoài ra, việc dùng tay tiếp xúc thường xuyên với thực phẩm tiềm ẩn rủi ro lây nhiễm vi sinh vật. Môi trường chế biến ẩm nóng đẩy nhanh tốc độ ôi thiu của cơm nấu chín nếu thao tác kéo dài.

2.2. So sánh giải pháp xilanh khí nén và trục rulo cán

Nhóm nghiên cứu phân tích hai giải pháp ép định hình chính gồm xilanh khí nén và trục rulo. Phương án dùng xilanh tạo lực ép mặt phẳng tĩnh rất mạnh. Bánh ép bằng xilanh giữ kích thước chuẩn xác theo khuôn. Tuy nhiên hệ thống đòi hỏi máy nén khí phụ trợ và van đảo chiều phức tạp. Cơ cấu xilanh hoạt động ngắt quãng theo từng chu kỳ, làm giảm năng suất tổng thể. Ngược lại, phương án rulo cán liên tục phối hợp nhịp nhàng với băng chuyền tải liệu. Cơm đi qua khe hở giữa các trục và được làm phẳng đều đặn. Phương án rulo loại bỏ hiện tượng dồn ứ cơm ở phễu tiếp nhận. Cơ cấu này chạy êm ái, tiêu thụ ít điện năng và dễ chế tạo.

III. Giải pháp thiết kế chế tạo mô hình máy ép cơm sản xuất cơm cháy

Dựa trên các phân tích kỹ thuật, nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM quyết định lựa chọn cơ cấu ép cán bằng rulo ba cấp. Hệ thống gồm ba rulo liên hoàn đặt trên khung giá đỡ inox. Rulo thứ nhất sở hữu bề mặt dạng răng sóng thô nhằm dàn đều khối cơm từ phễu nạp. Rulo thứ hai có răng sóng nhỏ hơn để nén chặt sơ bộ lớp cơm. Rulo thứ ba dạng bề mặt trơn nhẵn làm nhiệm vụ cán phẳng và khống chế độ dày chuẩn xác. Sau giai đoạn cán mỏng, dải cơm chuyển tới cụm phân chia kích thước. Cụm cắt phối hợp rulo gắn dao đĩa tròn để xẻ dọc cùng cơ cấu dao chém ngang băng tải. Toàn bộ chuyển động quay đồng bộ hóa qua bộ truyền xích nối với động cơ giảm tốc. Phần mềm Autodesk Inventor hỗ trợ tính toán ứng suất, mô phỏng tải trọng và tối ưu biên dạng răng rulo. Thiết kế đảm bảo cơm không bị dồn ứ, không gãy vỡ và giữ nguyên cấu trúc hạt.

3.1. Nguyên lý vận hành của cụm rulo cán ép ba cấp

Cụm rulo cán ép vận hành theo nguyên tắc biến dạng liên tục. Cơm chín sau khi nấu được đưa đều vào phễu chứa liệu. Băng tải vận chuyển cơm tiến vào vị trí rulo cấp 1. Trục này có bước sóng lớn giúp san bằng đống cơm thành tấm dày ban đầu. Tiếp theo, rulo cấp 2 với bước răng nhỏ hơn nén dải cơm chặt chẽ hơn. Khoảng hở giữa trục và mặt băng tải giảm dần qua từng trạm. Cuối cùng, rulo cấp 3 phẳng mịn ép nén lớp cơm xuống độ dày tiêu chuẩn 7 mm. Bề mặt inox đánh bóng hạn chế tối đa lượng tinh bột dính bết. Tốc độ quay của các rulo được đồng tốc chính xác với băng tải nhằm tránh xé rách dải cơm trong khi ép.

3.2. Thiết kế hệ thống cắt định hình và truyền động

Sau khi cán phẳng, dải cơm cần được cắt thành từng miếng thành phẩm vuông vức. Nhóm thiết kế áp dụng hệ thống cắt phối hợp hai chiều. Một trục dao đĩa tròn quay tròn chịu trách nhiệm rạch các đường song song theo phương dọc. Kế tiếp, cụm dao chém ngang vận hành bằng cơ cấu tay quay con trượt hoặc xilanh tạo nhịp cắt dứt khoát. Kích thước bánh cơm cháy được cài đặt cố định theo chuẩn thương mại 100 mm x 100 mm. Toàn bộ cơ cấu nhận lực dẫn động từ một động cơ điện qua hệ thống nhông xích và bánh răng ăn khớp. Thiết kế này giúp tiết kiệm công suất tiêu hao và giảm rung lắc cơ khí. Nhờ sự ăn khớp chính xác, các miếng cơm cắt ra có góc cạnh sắc nét và không vỡ vụn.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tế mô hình máy ép cơm sản xuất cơm cháy

Mô hình máy ép cơm chế tạo hoàn chỉnh tại ĐH SPKT TPHCM khẳng định tính ứng dụng vượt trội qua các đợt chạy thử nghiệm. Máy vận hành trơn tru với nguyên liệu cơm hạt thông thường. Các khối cơm sau khi qua buồng ép duy trì liên kết vững chắc, không bị nát nhừ hay rách mép. Độ dày thành phẩm đạt mức đồng nhất lý tưởng, tạo điều kiện thuận lợi cho công đoạn sấy nhiệt và chiên phồng tiếp theo. Việc loại bỏ hoàn toàn các thao tác nén ép thủ công giúp tăng năng suất lên gấp nhiều lần. Đồng thời, máy giảm thiểu tối đa sự can thiệp trực tiếp của bàn tay con người, nâng cao tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Kích thước nhỏ gọn 2m x 0,6m cho phép lắp đặt linh hoạt trong nhiều không gian cơ sở sản xuất. Chi phí chế tạo nội địa thấp hơn đáng kể so với các dây chuyền nhập khẩu cùng phân khúc. Đồ án mở ra hướng ứng dụng thiết thực cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

4.1. Hiệu quả kinh tế và tối ưu năng suất chế biến

Việc áp dụng mô hình máy ép cơm rulo tạo ra bước đột phá về hiệu quả kinh tế. Thay vì cần nhiều nhân công đứng tạo hình thủ công, cơ sở sản xuất chỉ cần một nhân viên tiếp liệu. Tốc độ ép và cắt diễn ra liên tục giúp sản lượng tăng gấp ba đến bốn lần. Hao hụt nguyên liệu cơm chín giảm xuống mức dưới 2% nhờ dao cắt chuẩn xác. Thời gian thu hồi vốn đầu tư máy móc ước tính chỉ mất từ sáu đến tám tháng vận hành. Sản phẩm tạo ra có kích thước đồng đều tuyệt đối, giúp nâng cao giá trị thương hiệu và sức cạnh tranh trên thị trường. Doanh nghiệp dễ dàng nhận thêm đơn hàng lớn vào các dịp lễ tết.

4.2. Khả năng tích hợp mở rộng trong dây chuyền công nghiệp

Mô hình máy ép cơm tại ĐH SPKT TPHCM có tiềm năng nâng cấp rất lớn. Hệ thống băng tải được chế tạo với chiều cao tiêu chuẩn, cho phép ghép nối trực tiếp với tủ hấp cơm liên tục ở đầu vào. Ở đầu ra, máy dễ dàng đồng bộ với buồng sấy đối lưu nhiệt hoặc máy chiên dầu công nghiệp. Hệ thống điều khiển có thể tích hợp thêm biến tần và màn hình cảm ứng PLC để tự động hóa toàn diện. Sự cải tiến này giúp thợ vận hành điều chỉnh độ dày bánh cơm theo nhu cầu thị trường chỉ qua vài thao tác. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang tính học thuật mà còn đem lại giá trị thương mại hóa cao cho ngành cơ khí chế tạo máy Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Chế biến thực phẩm từ lúa gạo là một trong những ngành hàng truyền thống quan trọng tại Việt Nam. Trong các sản phẩm giá trị gia tăng, cơm cháy chà bông đã phát triển từ món ăn đặc sản địa phương (tiêu biểu như khu vực Ninh Bình với các thương hiệu Cố Đô, Hoa Lư, Đại Long, Việt Hưng, Hoàng Trang, Khải Hoa, Nếp Hương, Nếp Nhung, Trường An) thành sản phẩm quà tặng và ăn vặt thương mại phổ biến. Trên thị trường quốc tế, các quốc gia lân cận cũng có những dòng sản phẩm tương đồng như thương hiệu Chaosua (Thái Lan), Dine With The Locals (Campuchia) hay Kimbo (Trung Quốc). Tuy nhiên, phần lớn cơ sở sản xuất trong nước hiện nay vẫn thực hiện công đoạn ép tạo hình miếng cơm bằng phương pháp thủ công hoặc bán tự động đơn giản (như các dòng máy ép EC050 của VinaOrganic hay Hcdn100-I của Cơ khí Viễn Đông dùng xilanh từng mẻ). Việc phụ thuộc vào thao tác tay khiến năng suất bị giới hạn, độ chặt và kích thước miếng cơm không đồng đều, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế của Công ty TNHH Giải pháp công nghiệp CODIA trong việc xây dựng "Dây chuyền sản xuất cơm cháy tự động" gồm 6 công đoạn liên hoàn (Vo gạo – Nấu cơm – Xới cơm – Ép tạo hình cơm – Chiên cơm và rắc gia vị – Đóng gói), đề tài mã số 22223DT224 mang tên: "Thiết kế và chế tạo mô hình máy ép cơm phục vụ dây chuyền sản xuất cơm cháy" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Thị Vân Anh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm:

1. Thiết kế bản vẽ 2D và mô hình 3D hoàn chỉnh của máy ép cơm trên phần mềm kỹ thuật (AutoCAD, Autodesk Inventor 2020).
2. Tính toán, kiểm nghiệm động học và động lực học các cơ cấu cơ khí chính (bộ truyền đai, trục tang, cụm rulo ép, then, ổ lăn và xilanh khí nén).
3. Gia công chế tạo, lắp ráp mô hình máy với kích thước bao: chiều dài 2,0 m; chiều rộng 0,6 m; chiều cao 1,2 m.
4. Đạt năng suất thiết kế từ 100 kg/giờ, vận hành ổn định trong ca làm việc 8 giờ với sự điều khiển của 01 lao động phổ thông.
5. Định hình sản phẩm cơm ép theo kích thước tiêu chuẩn 100 mm x 100 mm x 20 mm (dung sai ±2 mm), khối lượng miếng đạt từ 0,25 kg đến 0,30 kg, liên kết chặt chẽ và tuân thủ các quy định về an toàn vệ sinh thực phẩm.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các sản phẩm cơm cháy, đặc tính cơ lý của cơm sau khi nấu, các phương pháp ép định hình hiện có và các kết cấu cơ khí phục vụ dây chuyền chế biến thực phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán, chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm mô hình máy ép cơm liên tục quy mô bán công nghiệp, phục vụ cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ, chưa mở rộng ra toàn bộ dây chuyền 6 công đoạn của nhà máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng các khung lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật cơ khí và tiêu chuẩn chế tạo máy thực phẩm:

• Tiêu chuẩn vệ sinh và an toàn thiết bị: Áp dụng các nguyên tắc cốt lõi từ ISO/TC 326 (Máy móc dùng cho thực phẩm), Hướng dẫn thiết kế vệ sinh cho thiết bị thực phẩm (MPC), và tiêu chuẩn NSF/ANSI 25. Các tiêu chuẩn này quy định việc sử dụng vật liệu thép không gỉ (Inox 304), bề mặt nhẵn bóng, triệt tiêu khe hở đọng cặn, chống tích tụ vi sinh vật và cho phép vệ sinh công nghiệp dễ dàng.
• Lý thuyết tính toán hệ thống dẫn động và nâng chuyển: Sử dụng tài liệu "Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 1" (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) để tính toán bộ truyền đai thang, thiết kế trục, chọn then bằng và kiểm nghiệm ổ lăn; sử dụng tài liệu "Kỹ thuật nâng chuyển tập 2: Máy vận chuyển liên tục" để xác định công suất, lực kéo căng và vận tốc của băng tải.
• Lý thuyết cơ học khí nén: Xác định áp suất làm việc, đường kính nòng (bore size), hành trình (stroke) và lưu lượng tiêu hao của xilanh khí nén cho cụm cắt ngang.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được nhóm tác giả tiến hành trực tiếp để tìm kiếm các thông số đầu vào chưa có trong sổ tay tra cứu:

• Đo lực ép và áp suất tạo hình của cơm: Sử dụng cơm nấu từ gạo ST25, cân đồng hồ loại 5 kg, khuôn ép hình trụ đường kính 100 mm. Cho khoảng 0,2 kg cơm vào khuôn, tiến hành ép phẳng bằng tay và ghi nhận giá trị lực tác dụng trên cân (đã trừ khối lượng khuôn và cơm).

Lần đo	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	Trung bình
Lực ép ghi nhận (kg)	2,4	2,5	2,4	2,7	2,5	2,8	2,4	2,6	2,7	2,5	2,6

Từ khối lượng trung bình 2,6 kg (tương đương lực tác dụng $F = 26\text{ N}$) và diện tích bề mặt ép $S = \pi \times 50^2 = 7854\text{ mm}^2$, áp suất ép cơm cần thiết được tính toán: $$P = \frac{F}{S} = \frac{26}{7854} \approx 3,3 \times 10^{-3}\text{ N/mm}^2\text{ (MPa)}$$

• Xác định tỉ trọng và khối lượng chuẩn của miếng cơm: Thể tích mẫu nén thí nghiệm là $V_1 = \pi \times 50^2 \times 20 = 50.000\pi\text{ mm}^3$ với khối lượng $m_1 = 0,2\text{ kg}$, suy ra tỉ trọng $\gamma = \frac{0,2}{50.000\pi} \approx 1,27 \times 10^{-6}\text{ kg/mm}^3$. Khi áp dụng cho miếng cơm thành phẩm kích thước $100 \times 100 \times 20\text{ mm}$ ($V = 2 \times 10^5\text{ mm}^3$), khối lượng lý thuyết là $m = 0,254\text{ kg}$. Tiêu chuẩn đánh giá độ chặt thực tế được ấn định trong khoảng $0,25 - 0,30\text{ kg}$.
• Xác định hệ số ma sát giữa cơm và Inox: Cơm có độ ẩm và tính bám dính cao do cấu trúc amylose và amylopectin. Dựa trên bảng hệ số ma sát với thép của các nông sản tương đương (ngô: 0,58; lúa mì: 0,58; hạt ngũ cốc: 2,77), nhóm nghiên cứu xác định khoảng dao động từ 0,58 đến 2,77 và chọn giá trị trung bình là 1,31 làm cơ sở tính toán lực kéo băng tải.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp kết cấu

Cấu tạo tổng thể của mô hình máy gồm 4 cụm chức năng chính được bố trí liên tục trên một khung chân máy bằng thép định hình:

1. Thùng chứa và cấp liệu: So sánh giữa phương án đáy phễu xả thẳng tâm (dễ gây ứ đọng, đè nặng làm kẹt băng tải) và phương án thành nghiêng trượt phôi về cửa thoát phía trước. Nhóm lựa chọn phương án thùng chứa có góc nghiêng làm bằng Inox 304, giúp cơm trượt liên tục xuống bề mặt băng chuyền mà không làm nén vón cục, giữ được độ tơi xốp ban đầu.

2. Cụm băng tải vận chuyển: Sử dụng dây băng cao su PVC màu trắng chuyên dùng cho thực phẩm, chu vi 3,5 m, chiều dày 1 mm. Hai bên mép có tấm dẫn hướng bằng Inox 304 cố định bề rộng dải cơm ở mức 300 mm. Phía dưới dải băng được lót tấm trượt Inox để triệt tiêu độ võng khi chịu lực đè từ các rulo ép. Cơ cấu căng băng sử dụng vít kéo hai bên trục bị dẫn, giúp điều chỉnh song song và hạn chế hiện tượng lệch băng so với cơ cấu vít đẩy dạng rãnh trượt ngang.

3. Bộ truyền động chính: Nghiên cứu đối chiếu giữa bộ truyền xích và bộ truyền đai thang để dẫn động từ động cơ giảm tốc đến các trục ép và băng tải:

Tiêu chí kỹ thuật	Phương án 1: Bộ truyền đai thang (Loại A)	Phương án 2: Bộ truyền xích
Vệ sinh an toàn thực phẩm	Không cần tra dầu mỡ bôi trơn, an toàn tuyệt đối cho thực phẩm	Bắt buộc bôi trơn thường xuyên, nguy cơ văng dầu mỡ vào cơm
Đặc tính làm việc	Êm ái, không ồn, có khả năng trượt an toàn khi quá tải kẹt phôi	Ồn, vận tốc tức thời không đều, dễ mòn bản lề xích
Lựa chọn thiết kế	Được chọn (tối ưu cho chế biến thực phẩm)	Loại bỏ do không phù hợp môi trường vệ sinh

4. Cụm ép cán phẳng liên tục: Thay vì sử dụng xilanh dập mảng ngắt quãng (năng suất thấp, kích thước máy cồng kềnh), hệ thống dùng 3 trục rulo quay liên tục:

• Rulo số 1: Gia công các cánh gân dạng răng sóng thưa để ban gạt đều khối cơm từ phễu ra dải phẳng sơ bộ.
• Rulo số 2: Kết cấu răng sóng nhỏ hơn để nén chặt sơ cấp và làm đồng đều mật độ cơm.
• Rulo số 3: Bề mặt hình trụ trơn nhẵn bằng thép không gỉ, ép chính xác bề dày dải cơm về mức 20 mm.

5. Cụm cắt định hình sản phẩm: Kết hợp giữa rulo dao đĩa tròn cắt dọc và cụm dao phẳng cắt ngang điều khiển bằng xilanh khí nén 2 ty (Airtac dòng TN). Khi dải cơm bề rộng 300 mm di chuyển qua cụm dao đĩa, cơm được xẻ thành 3 dải dọc rộng 100 mm. Tiếp đó, xilanh khí nén mang cụm dao cắt ngang dập xuống theo chu kỳ để chia thành các miếng thành phẩm $100 \times 100\text{ mm}$.

6. Kiểm nghiệm ứng suất bằng mô phỏng số (FEA): Nhóm tác giả sử dụng module phân tích ứng suất trong phần mềm Autodesk Inventor 2020:

• Khung chân máy: Thiết lập tải trọng tĩnh gồm trọng lượng các cụm chi tiết và lực căng đai. Kết quả phân tích lưới cho thấy ứng suất von Mises và chuyển vị cực đại đều nằm trong giới hạn cho phép, hệ số an toàn kết cấu đạt ngưỡng yêu cầu.
• Giá đỡ cụm dao cắt: Chịu phản lực từ hành trình dập cắt của xilanh khí nén. Phân tích chia lưới khẳng định giá đỡ giữ vững độ cứng vững, không bị biến dạng đàn hồi quá mức.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc cơ giới hóa công đoạn ép cơm cháy tại Việt Nam. Khái quát các thương hiệu nội địa tại Ninh Bình và các thị trường nước ngoài. Xác định mục tiêu chế tạo máy ép cơm kích thước $2 \times 0,6 \times 1,2\text{ m}$, tạo ra sản phẩm $100 \times 100 \times 20\text{ mm}$, năng suất từ 100 kg/giờ, giới hạn đề tài ở mức độ thử nghiệm mô hình thực nghiệm xác thực nguyên lý.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Trình bày kiến thức tổng quan về các giống lúa gạo (ST21, ST24, ST25, Jasmine, gạo nếp, gạo tẻ) và giá trị dinh dưỡng của cơm (130 kcal/100g, 29g carbohydrate, 2,2mg chất đạm, hàm lượng nước 68,6%). Phân tích 6 công đoạn làm cơm cháy công nghiệp. Phân tích bản chất độ dính của cơm liên quan đến tỷ lệ tinh bột amylose (không nhánh, tạo độ tơi xốp) và amylopectin (có nhánh, tạo độ dẻo dính), cùng ảnh hưởng của lượng nước và thời gian nấu. Khảo sát các dòng máy thủ công, bán tự động (EC050) và tự động (Tech Garden, Viễn Đông Hcdn100-I) để rút ra ưu - nhược điểm làm cơ sở lên ý tưởng thiết kế.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày nguồn gốc đề tài gắn với dự án của Công ty TNHH Giải pháp công nghiệp CODIA. Xác lập các yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị chế biến thực phẩm theo tiêu chuẩn ISO/TC 326, MPC và NSF/ANSI 25. Trình bày cơ sở toán học tính toán động học và động lực học băng tải cao su, bộ truyền đai thang, trục truyền và xilanh khí nén. Công bố kết quả thí nghiệm đo lực ép trung bình trên cơm ST25 đạt 26 N (áp suất $3,3 \times 10^{-3}\text{ MPa}$), hệ số ma sát quy ước 1,31 và khoảng khối lượng tiêu chuẩn của miếng cơm từ 0,25 đến 0,30 kg.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp thiết kế

Tiến hành so sánh chi tiết các phương án kết cấu cho từng cụm máy:

• Băng tải: Chọn đai PVC trắng dày 1 mm, chu vi 3,5 m.
• Truyền động: Chọn bộ truyền đai thang bản A thay thế cho xích để đảm bảo tiêu chí vệ sinh.
• Căng đai: Chọn phương án căng bằng vít kéo thay cho vít đẩy trượt ngang.
• Thùng chứa cơm: Chọn thùng chứa có mặt nghiêng Inox 304 giúp cấp phôi đều.
• Cụm ép: Chọn hệ thống 3 rulo ép cán liên tục thay cho xilanh dập tĩnh.
• Cụm cắt: Chọn giải pháp phối hợp rulo dao cắt dọc và xilanh dao cắt ngang.

Chương 5: Tính toán thiết kế

Thực hiện toàn bộ các bước tính toán cơ khí chi tiết:

• Xác định lực ép tác dụng lên các rulo và tính toán công suất cản trên băng tải để chọn động cơ giảm tốc.
• Tính toán thông số hình học bộ truyền đai: đường kính puly nhỏ, puly lớn, khoảng cách trục, chiều dài đai và góc quấn.
• Xác định biểu đồ nội lực (mômen uốn $M_x, M_y$ và mômen xoắn $T$) trên trục tang dẫn động băng tải và 4 trục của cụm ép rulo; kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ võng trục.
• Chọn then bằng theo tiêu chuẩn và kiểm nghiệm ứng suất dập, ứng suất cắt.
• Chọn gối đỡ trục vòng bi tự lựa UCP204 theo tải trọng động và tuổi thọ danh định.
• Tính toán chọn đường kính nòng và hành trình làm việc cho xilanh khí nén dẫn động dao cắt ngang.
• Mô phỏng ứng suất tĩnh và chuyển vị bằng phần mềm Autodesk Inventor 2020 cho kết cấu khung máy và giá đỡ cụm cắt.

Chương 6: Chế tạo và thử nghiệm

Ghi lại toàn bộ tiến trình gia công thực tế tại xưởng: cắt phôi thép hộp, mài bavia, hàn khung máy, hàn gá thùng chứa Inox 304; tiện các đoạn ống thép và hàn cánh tạo răng gợn sóng cho các rulo; chế tạo và lắp đặt cụm dao cắt với xilanh khí nén; đấu nối hệ thống tủ điện điều khiển và rơ-le thời gian. Tiến hành thực nghiệm vận hành bằng cơm nấu từ tủ hấp công nghiệp và xới tơi bằng máy:

• Thử nghiệm ép: Lần 1 và lần 2 cơm bị rời rạc do chưa điều chỉnh khe hở rulo tối ưu; từ lần 4 và lần 5 dải cơm đã liên kết phẳng, bề mặt đều và liền mạch (loại bỏ phần đầu mép chưa ổn định).
• Thử nghiệm cắt và đo kích thước thành phẩm qua 3 đợt cắt:

Đợt thực nghiệm	Chiều dài miếng (mm)	Chiều rộng miếng (mm)	Bề dày miếng (mm)	Đánh giá độ đồng đều
Cắt lần 1	$99 - 101$	$98 - 102$	$19 - 21$	Đạt yêu cầu kích thước ($100 \times 100 \times 20 \pm 2\text{ mm}$)
Cắt lần 2	$99 - 102$	$99 - 101$	$20 - 21$	Sản phẩm vuông vắn, liên kết hạt tốt
Cắt lần 3	$100 - 101$	$99 - 102$	$19 - 20$	Bề mặt nhẵn phẳng, mép cắt dứt khoát

Chương cũng đưa ra quy trình an toàn lao động và hướng dẫn bảo trì bôi trơn định kỳ các gối đỡ, vệ sinh dây băng và rulo bằng dung dịch chuyên dụng.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau quá trình chế tạo và vận hành thử nghiệm:

• Về sản phẩm cơ khí: Đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy ép cơm kích thước dài 2,0 m, rộng 0,6 m, cao 1,2 m hoạt động theo nguyên lý cấp liệu và cán cắt liên tục. Thiết bị vận hành ổn định, đồng bộ nhịp nhàng giữa chuyển động tịnh tiến của băng chuyền PVC và chuyển động quay của các rulo ép.
• Về thông số sản phẩm cơm ép: Miếng cơm sau khi ép và cắt đạt kích thước chuẩn $100 \times 100 \times 20\text{ mm}$ với sai số nằm trong phạm vi cho phép $\pm 2\text{ mm}$. Khối lượng mỗi miếng cơm nằm trong khoảng $0,25 - 0,30\text{ kg}$, đạt độ chặt cần thiết để không bị nát vụn khi sấy hoặc phồng nở không đều khi chiên.
• Về năng suất: Máy đạt công suất thiết kế từ 100 kg/giờ, chỉ cần 01 nhân công cấp liệu vào thùng chứa, đáp ứng yêu cầu vận hành 8 giờ/ngày của cơ sở chế biến.
• Đóng góp so với các nghiên cứu và thiết bị hiện có: Tác giả tự đánh giá đồ án đã giải quyết được nhược điểm gián đoạn của các dòng máy ép bán tự động dùng xilanh mảng đơn (như mẫu EC050) bằng cách chuyển dịch sang cơ chế cán 3 rulo liên tục kết hợp dao đĩa cắt dọc. Toàn bộ các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với cơm đều sử dụng thép không gỉ Inox 304 và dây đai PVC trắng, loại bỏ việc dùng xích hở bôi trơn dầu mỡ gần vùng thực phẩm, giúp nâng cao mức độ an toàn vệ sinh so với các phương pháp sản xuất truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Đề tài mới dừng lại ở việc thiết kế và chế tạo mô hình máy đơn lẻ phục vụ công đoạn ép tạo hình, chưa kết nối tự động hoàn toàn với các máy xới cơm phía trước và thiết bị sấy, chiên ở phía sau.
• Ở những giây đầu tiên khi bắt đầu cấp phôi, phần đầu của dải cơm đi qua rulo chưa đạt được bề dày đồng đều tuyệt đối, người vận hành vẫn phải thu hồi phần cơm đầu này để bỏ lại vào thùng chứa.
• Cơ cấu căng băng tải bằng vít kéo tuy đơn giản nhưng vẫn phụ thuộc vào thao tác căn chỉnh lực vặn bulông đều tay của công nhân ở hai bên để tránh hiện tượng lệch đai sau thời gian dài làm việc.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nghiên cứu tích hợp cảm biến hành trình và bộ điều khiển lập trình (PLC) để tự động hóa hoàn toàn nhịp cắt ngang của xilanh theo tốc độ thực của băng tải.
• Thiết kế hệ thống cấp liệu tự động từ máy xới cơm sang thùng chứa để tạo thành dòng sản phẩm khép kín không cần sự can thiệp thủ công.
• Nghiên cứu cơ cấu tự động thu hồi và tái tuần hoàn phần cơm rìa thừa sau công đoạn cắt biên.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

• Sinh viên chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Thực phẩm đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Chi tiết máy hoặc Thiết kế hệ thống cơ khí.
• Các kỹ sư thiết kế máy chế biến thực phẩm: Đáng chú ý là phương pháp thực nghiệm đo lực nén và áp suất tạo hình của cơm ($3,3 \times 10^{-3}\text{ MPa}$), bảng hệ số ma sát giữa nông sản và thép, cùng quy trình tính toán động học hệ thống 3 rulo cán kết hợp dao cắt dọc - ngang.
• Các cơ sở và doanh nghiệp sản xuất cơm cháy vừa và nhỏ: Cung cấp bản vẽ kết cấu, giải pháp bố trí thiết bị tuân thủ an toàn vệ sinh thực phẩm (Inox 304, đai PVC thực phẩm, bộ truyền đai kín) nhằm thay thế phương pháp ép thủ công bằng khuôn tay.

Câu hỏi thường gặp

1. Áp suất ép cần thiết để định hình miếng cơm trong đồ án được xác định bằng cách nào và có giá trị bao nhiêu? Áp suất ép được xác định bằng phương pháp thực nghiệm trực tiếp: sử dụng khuôn tròn đường kính 100 mm ($S = 7854\text{ mm}^2$), cho 0,2 kg cơm nấu từ gạo ST25 lên cân đồng hồ 5 kg rồi tiến hành ép phẳng bằng tay qua 10 lần đo. Lực ép trung bình ghi nhận được là 2,6 kg (tương đương 26 N). Áp suất ép tính toán được là $P = \frac{26}{7854} \approx 3,3 \times 10^{-3}\text{ N/mm}^2$ (MPa).

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn bộ truyền đai thang thay vì bộ truyền xích cho máy ép cơm? Mặc dù bộ truyền xích có khả năng tải cao và không có hiện tượng trượt, nhóm tác giả chọn bộ truyền đai thang bản A vì ngành thực phẩm đòi hỏi tiêu chuẩn an toàn vệ sinh cao. Bộ truyền xích bắt buộc phải bôi trơn thường xuyên bằng dầu nhớt, tiềm ẩn nguy cơ văng dính dầu vào thực phẩm và gây tiếng ồn lớn. Ngược lại, đai thang vận hành êm, không dùng dầu mỡ bôi trơn, dễ vệ sinh và đóng vai trò như cơ cấu an toàn trượt khi xảy ra sự cố kẹt phôi.

3. Kích thước và khối lượng tiêu chuẩn của một miếng cơm sau khi ép và cắt là bao nhiêu? Miếng cơm thành phẩm được thiết kế theo kích thước hình học $100\text{ mm} \times 100\text{ mm} \times 20\text{ mm}$ (dung sai thực tế đo được qua 3 đợt thử nghiệm nằm trong khoảng $\pm 2\text{ mm}$). Dựa trên tỉ trọng tính toán của cơm sau khi ép ($\gamma \approx 1,27 \times 10^{-6}\text{ kg/mm}^3$), khối lượng tiêu chuẩn của mỗi miếng cơm nằm trong khoảng $0,25\text{ kg}$ đến $0,30\text{ kg}$ (khối lượng lý thuyết là $0,254\text{ kg}$).

4. Cơ cấu ép phẳng của máy sử dụng giải pháp nào và nguyên lý hoạt động ra sao? Cơ cấu ép phẳng sử dụng phương án 3 trục rulo quay liên tục thay vì dùng xilanh dập mảng đơn. Khi băng tải đưa cơm từ thùng chứa đi qua, rulo số 1 (có cánh răng sóng to) sẽ ban gạt dàn đều cơm, rulo số 2 (răng sóng nhỏ) nén sơ bộ làm giảm bọt khí, và rulo số 3 (mặt trụ trơn nhẵn bằng Inox) sẽ ép dải cơm đạt độ phẳng và chiều dày chính xác 20 mm trước khi đi vào cụm dao cắt.

5. Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor 2020 vào những khâu nào trong đề tài? Phần mềm Autodesk Inventor 2020 được nhóm tác giả sử dụng để dựng mô hình không gian 3D của toàn bộ các chi tiết và cụm chi tiết lắp ráp của máy, xuất bản vẽ kỹ thuật chế tạo, và thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để kiểm tra ứng suất tĩnh von Mises, độ biến dạng chuyển vị cũng như hệ số an toàn cho kết cấu khung chân máy và giá đỡ cụm dao cắt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình máy ép cơm phục vụ dây chuyền sản xuất cơm cháy" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu từ tính toán lý thuyết, thiết kế mô phỏng 3D đến chế tạo thực nghiệm mô hình máy cơ khí hoàn chỉnh. Thiết bị đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về năng suất 100 kg/giờ, đảm bảo dung sai kích thước miếng cơm $100 \times 100 \times 20\text{ mm}$ ($\pm 2\text{ mm}$) và tuân thủ các quy định về an toàn vệ sinh thực phẩm nhờ sử dụng Inox 304 và dây băng PVC chuyên dụng. Kết quả của đồ án cung cấp dữ liệu thực nghiệm có giá trị và mô hình thiết bị khả thi, góp phần hỗ trợ quá trình cơ giới hóa khâu định hình trong các dây chuyền sản xuất cơm cháy công nghiệp quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam.

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 thiết kế Chương 5: Tính toán thiết kế Chương 6: Chế tạo và thực nghiệm Kết luận – kiến nghị 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Gạo Gạo là một sản phẩm lương thực thu từ cây lúa. Hạt gạo thường có màu trắng, nâu hoặc đỏ thẫm, chứa nhiều dinh dưỡng. Hạt gạo chính là nhân của thóc sau khi xay để tách bỏ vỏ trấu.

Hạt gạo sau khi xay được gọi là gạo lứt, gạo lức hay gạo lật, nếu tiếp tục xát để tách cám thì gọi là gạo xát hay gạo trắng, nếu xát rối để giữ phần lớn lượng cám bổ dưỡng thì gọi là gạo xát rối hoặc gạo nguyên cám. Gạo là lương thực phổ biển của gần một nửa dân số thế giới. Một số loại gạo trên thế giới: Gạo xuất khẩu ở Thái Lan gồm: gạo thơm và gạo trắng hạt dài. Gạo ở Việt Nam gồm: gạo nếp, gạo tấm và gạo tẻ Các thể loại khác: gạo basmati (Ấn Độ); gạo Gerdeh, Hansani, Hashe`mi, và Gharib (Iran) Hình 2.

1 Các loại gạo khác nhau trên thế giới [15] Một số giống gạo phổ biến đối với người Việt Nam: gạo ST21, gạo ST24, gạo cao sản, gạo Jasmine, gạo ST25, gạo hương lài,.; Một số loại gạo đặc biệt: gạo nếp, gạo nếp than, gạo tấm, gạo lức,. Cơm Sản phẩm chủ yếu từ gạo là cơm. Gạo có thể nấu thành cơm nhờ cách luộc trong nước (vừa đủ) hay bằng hơi nước. Tùy thuộc vào loại gạo mà có thể nấu thành các loại cơm có tính chất khác nhau: Cơm nếp: Trong ẩm thực Việt Nam, là một loại cơm được nấu bằng gạo nếp, nhưng khác với xôi chủ yếu ở phương thức nấu trực tiếp trong nước thay vì làm chín bằng hơi nước.

4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Cơm (trắng) thường có nguyên liệu là gạo tẻ và không có thêm gia vị, là thức ăn chính gần như hàng ngày của người Đông Nam Á và Đông Á. Giá trị dinh dưỡng của cơm Bảng 2. 1 Giá trị dinh dưỡng của cơm Năng lượng 544kJ(130 kcal) Cacbohydrat 29 g Giá trị dinh dưỡng chính Đường 0g Chất xơ 0g Chất béo 0g Chất đạm 2.2 mg Vitamin Riboflavin (B2) 0.5 mg Pantothenic acid (B5) 0.164 mg Canxi 1 mg Sắt 1.5 mg Chất khoáng Magiê 8 mg Mangan 0.4 mg Phốt pho 33 mg Kali 23 mg Kẽm 0.4 mg Thành phần khác Nước 68. Tổng quan về quy trình làm cơm cháy Sơ đồ quy trình làm cơm cháy: Chọn Ép và Đóng Sấy gạo, Nấu Xới định Chiên Tẩm gói khô vo cơm cơm hình cơm gia vị sản cơm gạo cơm phẩm Chi tiết quá trình làm cơm cháy: ❖ Chọn gạo và vo gạo Nguyên liệu làm cơm cháy thường là gạo nếp hoặc gạo tẻ.

Tùy theo nhà sản xuất mà loại nào được sử dụng, hoặc phối trộn với nhau. Gạo nếp sẽ làm bánh dẻo và tăng kết dính, tăng độ thơm. Gạo tẻ sẽ giúp tăng độ giòn. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Hình 2.

2 Gạo ST25 [16] ❖ Nấu cơm Cơm dùng làm cơm cháy được nấu theo cách thông thường Hình 2. 3 Cơm được nấu bằng nồi cơm điện [17] ❖ Ép và cắt định hình cơm Miếng cơm được định hình tùy theo mong muốn của nhà sản xuất. Thông thường là hình tròn hoặc hính vuông, hình chữ nhật. Quá trình định hình này khá quan trọng.

Cơm không nên ép quá chặt, sẽ khiến khi chiên bánh nở không đều. Nếu ép quá lỏng thì độ liên kết không cao, có thể khiến bánh bị vụn. Độ dày mỏng cũng tùy ý nhà sản xuất.