Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành trồng nấm tại Việt Nam sở hữu tiềm năng phát triển lớn nhờ nguồn phụ phẩm nông - lâm nghiệp dồi dào như rơm rạ, mùn cưa, bã mía, thân lõi ngô và bông phế thải. Ngày 16 tháng 01 năm 2012, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 439/QĐ-TTg phê duyệt Danh mục sản phẩm quốc gia thuộc Chương trình phát triển sản phẩm quốc gia đến năm 2020, trong đó nấm ăn và nấm dược liệu được xác định là sản phẩm quốc gia. Tuy nhiên, theo số liệu thực tế được nêu trong đồ án, sản lượng nấm tươi cả nước tại thời điểm nghiên cứu mới đạt khoảng 280.000 tấn/năm với kim ngạch xuất khẩu trên 90 triệu USD, mức độ cơ giới hóa trong sản xuất còn hạn chế và các khâu phối trộn nguyên liệu, đóng bịch phôi nấm tại các cơ sở, trang trại hầu hết vẫn thực hiện thủ công, năng suất thấp và chất lượng nén không đồng đều.

Nhằm giải quyết bài toán cơ giới hóa khâu chuẩn bị cơ chất trồng nấm, đề tài "Tính toán thiết kế cụm máy đóng bịch phôi nấm" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Tính toán thiết kế thùng trộn mùn cưa (tích hợp bộ phận sàng rung phân loại tạp chất).
  2. Tính toán thiết kế băng tải vận chuyển hỗn hợp mùn cưa sau trộn lên máy đóng bịch.
  3. Tính toán thiết kế máy đóng bịch phôi nấm tự động định lượng và nén ép.

Yêu cầu kỹ thuật ban đầu của hệ thống bao gồm:

  • Năng suất dây chuyền: 720 bịch/giờ.
  • Định lượng mỗi bịch phôi: 1,2 kg đến 1,4 kg.
  • Chế độ làm việc: 2 ca/ngày.
  • Số lượng nhân công vận hành: 3 người.
  • Kết cấu máy: Gọn nhẹ, dễ tháo lắp và thuận tiện di chuyển.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cụm thiết bị cơ khí liên hoàn phục vụ đóng bịch phôi nấm từ mùn cưa (chủ yếu là mùn cưa cao su và mùn cưa tạp). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán động học, động lực học, tính bền chi tiết máy và kiểm nghiệm ứng suất trên phần mềm chuyên ngành, thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết thiết kế máy nâng chuyển, máy công cụ và công nghệ chế tạo máy, kết hợp các quy chuẩn sinh học trong công nghệ trồng nấm ăn:

  • Cơ sở công nghệ sinh học và quy trình xử lý nguyên liệu: Mùn cưa tươi được làm ẩm bằng nước vôi 1,5% (1,5 kg vôi tôi trên 100 lít nước), ủ đống tối thiểu 12 giờ để đạt độ ẩm tiêu chuẩn 50% - 60% và khối lượng riêng $\gamma = 300\text{ kg/m}^3$. Cơ chất sau đóng bịch túi nilon PE đáy vuông được hấp khử trùng ở nhiệt độ 100°C trong 5 - 6 giờ hoặc 121°C trong 2 giờ, để nguội xuống 40°C trước khi cấy meo giống (ngành Basidiomycota và Agaricomycetes) và ủ tơ từ 20 - 25 ngày.
  • Phương pháp tính toán động học và động lực học cơ khí: Sử dụng các công thức kinh điển trong Sổ tay Thiết kế máy để xác định thể tích làm việc, năng suất, công suất cản vòng ($N_1$), công suất cản dọc trục ($N_2$), mô men xoắn trục vít, lực kéo băng tải, tỷ số truyền của các bộ truyền đai, bộ truyền xích ống con lăn và cặp bánh răng nón thẳng.
  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor 2014 để chia lưới phần tử hữu hạn (mesh), đặt điều kiện biên ràng buộc mối hàn và tải trọng tiếp tuyến nhằm mô phỏng trường ứng suất Von Mises, hệ số an toàn và độ dịch chuyển (chuyển vị) của cánh xoắn trộn.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu tra cứu từ giáo trình Thiết kế chi tiết máy, Sổ tay công nghệ chế tạo máy, số liệu khảo sát thực tế tại các cơ sở sản xuất nấm ở Ninh Bình, Đồng Tháp và Đông Nam Bộ.

Thiết kế và triển khai cụm thiết bị

Cụm máy đóng bịch phôi nấm là một hệ thống liên hoàn gồm 3 cụm máy chính:

  1. Thùng trộn mùn cưa kiểu băng xoắn nằm ngang: Thùng có kết cấu đáy bán trụ kết hợp thân hộp chữ nhật. Trục trộn trang bị hai dải băng xoắn ngược chiều (dải xoắn ngoài đẩy vật liệu về một phía, dải xoắn trong đẩy ngược lại) giúp mùn cưa và phụ gia được đảo đều liên tục. Phía trên thùng trộn lắp đặt bộ phận sàng rung phân loại hạt mùn cưa kích thước $\le 5\text{ mm}$ trước khi vào thùng.
  2. Băng tải cấp liệu: Băng tải góc nghiêng nhận mùn cưa từ cửa xả đáy của thùng trộn và chuyển liên tục lên phễu chứa của máy đóng bịch.
  3. Máy đóng bịch nấm: Động cơ truyền động qua bộ truyền đai dẫn động trục vít tải định lượng (cung cấp 1,2 - 1,4 kg/lần xả), đồng thời truyền động qua bộ truyền xích, cặp bánh răng nón thẳng, cơ cấu cam kẹp mở túi nilon PE và cơ cấu culit truyền động cho cần nén tịnh tiến nén chặt mùn cưa vào túi.
Cụm thiết bị Thông số kỹ thuật tính toán Giá trị thiết kế
Thùng trộn Năng suất mẻ trộn 250 kg/mẻ (thời gian 1 mẻ: 15 phút, trộn 7 phút, nạp/xả 8 phút)
Năng suất giờ ($Q$) 1.000 kg/h
Thể tích tính toán / Thể tích chọn $V_t = 1,19\text{ m}^3$ / $V_{\text{chọn}} = 1,31\text{ m}^3$ (Hệ số điền đầy $\varphi = 0,7$)
Kích thước thùng ($D \times H \times L$) Đường kính $D = 0,66\text{ m}$; Cao $H = 1,0\text{ m}$; Dài $L = 1,9\text{ m}$
Đường kính cánh xoắn ngoài ($d_{1t}$) / trong ($d_{2t}$) $d_{1t} = 0,73\text{ m}$ (bước $S_1 = 0,925\text{ m}$); $d_{2t} = 0,36\text{ m}$ (bước $S_2 = 0,4625\text{ m}$)
Tốc độ quay trục trộn / Vận tốc góc $n = 62\text{ vòng/phút}$; $\omega = 6,5\text{ rad/s}$
Đường kính trục trộn ($d$) $d = 35\text{ mm}$ (Mô men xoắn $M_0 = 68,23\text{ Nm}$)
Động cơ dẫn động thùng trộn Động cơ liền hộp giảm tốc (Gear motor) $P = 1,5\text{ kW}$; $n_{\text{ra}} = 75\text{ vòng/phút}$
Bộ truyền xích thùng trộn Tỷ số truyền ($u$) / Số răng đĩa xích $u = 0,85$; Đĩa dẫn $z_1 = 27$ răng; Đĩa bị dẫn $z_2 = 23$ răng
Bước xích ($p_c$) / Khoảng cách trục ($a$) $p_c = 25,4\text{ mm}$; $a = 265\text{ mm}$; Vận tốc xích $v = 0,857\text{ m/s}$
Lực vòng ($F_t$) / Lực tác dụng lên trục ($F_r$) $F_t = 1.750,29\text{ N}$; $F_r = 1.837,8\text{ N}$; Hệ số an toàn $s = 26,7 > [s]=8,2$
Bộ phận sàng rung Kích thước lỗ lưới / Khung máng Lỗ lưới $10 \times 10\text{ mm}$; Khung thép V40x40x3 mm ($1,78 \times 0,74\text{ m}$)
Tốc độ làm việc của vật liệu ($V_{vl}$) $0,266\text{ m/s}$ ($0,8$ lần vận tốc tới hạn $0,332\text{ m/s}$)
Bán kính lệch tâm ($r$) / Khối lượng lệch tâm $r = 100\text{ mm}$; $m = 0,61\text{ kg}$; Vận tốc góc $\omega_{\text{blt}} = 8,867\text{ rad/s}$
Động cơ sàng rung Động cơ 4AA56A4Y3 ($P_{\text{đc}} = 0,12\text{ kW}$; $n_{\text{đc}} = 1.380\text{ vòng/phút}$)
Máy đóng bịch Năng suất thiết kế 720 bịch/giờ (1,2 - 1,4 kg/bịch)
Cơ cấu công tác chính Vít tải định lượng, cơ cấu ép nén culit, cam kẹp mở bịch PE

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 1 tổng thuật bức tranh toàn cảnh về ngành sản xuất và chế biến nấm tại Việt Nam. Tác giả dẫn chứng các chủ trương phát triển (Quyết định 439/QĐ-TTg), các mô hình kinh doanh thực tế tại Ninh Bình và Đồng Tháp, nêu bật tiềm năng kinh tế từ phụ phẩm mùn cưa. Chương này cung cấp chi tiết đặc điểm sinh học của nấm ăn, thành phần khoáng chất (Sắt, Selen, Đồng, Natri, Kali, Photpho, Canxi, Beta-Glucans), quy trình kỹ thuật làm ẩm mùn cưa, vô bịch nilon PE, khử trùng lò áp suất, cấy meo và nuôi ủ sợi tơ. Cuối chương giới thiệu tổng quan cấu tạo và nguyên lý liên động của cụm máy 3 cụm chi tiết: Thùng trộn, Băng tải và Máy đóng bịch.

Chương 2: Thiết kế thùng trộn

Nội dung chương 2 tập trung phân tích ưu nhược điểm của các dạng máy trộn công nghiệp (thùng quay hình trụ, thùng quay dạng côn, nồi quay lập phương, máy trộn tầng sôi, máy trộn ly tâm, máy trộn cánh đảo và máy trộn băng xoắn). Tác giả lựa chọn phương án máy trộn trục ngang dùng dải băng xoắn kép nhằm đảm bảo trộn đều mùn cưa và phụ gia trong thời gian ngắn (7 phút/mẻ). Chương này trình bày toàn bộ các bước giải tích:

  • Xác định kích thước hình học thùng trộn ($D = 0,66\text{ m}, L = 1,9\text{ m}, H = 1,0\text{ m}$).
  • Tính toán trở lực chuyển động theo phương vòng ($E_{11} = 157,16\text{ N}, E_{12} = 74,33\text{ N}$) và phương dọc trục ($E_{21} = 69,34\text{ N}, E_{22} = 32,79\text{ N}$), xác định công suất cản tĩnh $N = 0,443\text{ kW}$, từ đó chọn động cơ giảm tốc $1,5\text{ kW}$.
  • Tính toán trục trộn đường kính 35 mm từ vật liệu thép chịu xoắn.
  • Kiểm nghiệm ứng suất và độ biến dạng của cánh xoắn bằng mô phỏng phần tử hữu hạn FEM trên Autodesk Inventor 2014.
  • Tính toán chi tiết bộ truyền xích dẫn động (bước xích $25,4\text{ mm}$, khoảng cách trục $265\text{ mm}$).
  • Tính toán thiết kế cụm sàng rung gắn trên miệng thùng trộn: xác định vận tốc tới hạn qua lưới sàng, khối lượng lệch tâm và chọn động cơ rung 4AA56A4Y3 công suất $0,12\text{ kW}$.

Chương 3: Thiết kế băng tải

Chương 3 thiết lập phương án thiết kế hệ thống băng tải cấp liệu góc nghiêng liên kết giữa cửa xả thùng trộn và miệng nạp máy đóng bịch. Nội dung trình bày phân loại các dạng băng tải công nghiệp, tính toán sơ bộ và tính toán chính xác kích thước dải băng tải, đường kính tang chủ động, tang bị động, máng tiếp liệu, máng xả liệu, khung giá đỡ và chọn động cơ liền hộp giảm tốc phù hợp với lưu lượng chuyển mùn cưa liên tục đạt $1.000\text{ kg/h}$.

Chương 4: Thiết kế máy đóng bịch nấm

Chương 4 phân tích các phương pháp đóng bịch phôi nấm hiện hành và đề xuất cơ cấu máy đóng bịch liên hoàn. Nội dung tính toán bao gồm:

  • Tính toán thiết kế cơ cấu vít tải định lượng đảm bảo khối lượng 1,2 - 1,4 kg cho mỗi chu kỳ xả liệu.
  • Tính toán động học và động lực học cơ cấu nén cơ khí (cơ cấu culit biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến khứ hồi của cần nén vật liệu vào túi).
  • Tính toán cơ cấu cam đóng mở bộ kẹp miệng bịch nilon PE tự động.
  • Tính toán động cơ dẫn động chính, bộ truyền đai, bộ truyền xích trung gian, bộ truyền xích đến trục phân phối chính và hệ thống cặp bánh răng nón răng thẳng truyền mô men đổi hướng giữa các trục vuông góc.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu thiết kế cụm thiết bị cơ khí phục vụ dây chuyền sản xuất bịch phôi nấm với các kết quả cụ thể:

  • Bộ thông số kỹ thuật chuẩn hóa: Xác lập hệ thống thông số kết cấu và động lực học hoàn chỉnh cho cụm thiết bị (Thùng trộn $1,31\text{ m}^3$ trang bị động cơ $1,5\text{ kW}$; Sàng rung $0,12\text{ kW}$; Băng tải chuyển liệu; Máy đóng bịch tự động đạt công suất 720 bịch/giờ với 3 người vận hành thay vì phương pháp thủ công).
  • Kết quả kiểm nghiệm mô phỏng kết cấu trên Autodesk Inventor 2014:
    • Băng xoắn ngoài: Ứng suất Von Mises cực đại đạt $18,14\text{ MPa}$ tập trung tại vùng chân mối hàn liên kết giữa cánh xoắn và trục; hệ số an toàn nhỏ nhất đạt $11,41$ (nằm trong giới hạn an toàn bền); chuyển vị biến dạng cực đại là $0,023\text{ mm}$.
    • Băng xoắn trong: Ứng suất Von Mises cực đại đạt $2,685\text{ MPa}$; chuyển vị cực đại đạt $0,01028\text{ mm}$; hệ số an toàn đạt mức tối đa $15$.
  • Đóng góp của đồ án: Đề xuất một giải pháp cơ giới hóa tích hợp khép kín từ khâu sàng phân loại mùn cưa, phối trộn phụ gia đều bằng trục vít xoắn kép, cấp liệu liên tục bằng băng tải đến đóng bịch - định lượng - nén chặt tự động. Kết cấu cụm máy sử dụng các vật tư, linh kiện cơ khí thông dụng (thép hình, động cơ điện tiêu chuẩn, xích ống con lăn, bánh răng nón thẳng), phù hợp với điều kiện chế tạo và bảo dưỡng tại các xưởng cơ khí trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Toàn bộ các kết quả dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế bản vẽ và mô phỏng số trên phần mềm chuyên ngành (Autodesk Inventor 2014); văn bản chưa trình bày dữ liệu đo kiểm thực nghiệm trên mẫu chế tạo thực tế hoạt động liên tục trong môi trường ẩm của mùn cưa và vôi.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Gia công chế tạo mô hình thực nghiệm (prototype), lắp ráp hoàn chỉnh cụm máy để kiểm tra độ tin cậy của cơ cấu culit nén và cam kẹp mở túi; nghiên cứu tích hợp thêm cơ cấu tự động vào cổ túi nilon và đóng nắp nút bông sau khi nén phôi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Thiết kế máy, Kỹ thuật Cơ nông nghiệp: Tham khảo quy trình tính toán thiết kế máy trộn trục vít băng xoắn, hệ thống sàng rung lệch tâm, cơ cấu nén tịnh tiến dạng culit và phương pháp kiểm nghiệm bền chi tiết hàn bằng công cụ FEM.
  • Kỹ sư cơ khí và cơ sở sản xuất nấm: Tham khảo kích thước hình học, công suất dẫn động và thông số dây chuyền để chế tạo thiết bị cơ giới hóa khâu phối trộn và đóng bịch phôi nấm từ mùn cưa.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế và yêu cầu vận hành của cụm máy đóng bịch phôi nấm là bao nhiêu?
Cụm máy được thiết kế đạt năng suất 720 bịch phôi/giờ với định lượng mỗi bịch từ 1,2 kg đến 1,4 kg mùn cưa. Hệ thống vận hành với 3 công nhân, chế độ làm việc định mức 2 ca/ngày.

2. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn máy trộn kiểu băng xoắn nằm ngang thay vì các kiểu máy trộn khác?
Máy trộn băng xoắn nằm ngang với hai dải băng xoắn lồng nhau (ngoài và trong) có hướng xoắn ngược nhau tạo ra dòng chuyển động đảo chiều liên tục của vật liệu rời. Kết cấu này giúp mùn cưa được trộn đều với phụ gia trong thời gian ngắn (7 phút/mẻ), không làm phá hủy cơ tính sợi gỗ và dễ dàng bố trí cửa xả đáy ở giữa thùng.

3. Kết quả mô phỏng ứng suất trên phần mềm Autodesk Inventor 2014 cho cánh xoắn trộn như thế nào?
Kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho thấy:

  • Cánh xoắn ngoài chịu ứng suất Von Mises lớn nhất $18,14\text{ MPa}$ tại mối hàn với trục, hệ số an toàn nhỏ nhất là $11,41$, độ chuyển vị cực đại là $0,023\text{ mm}$.
  • Cánh xoắn trong chịu ứng suất Von Mises lớn nhất $2,685\text{ MPa}$, hệ số an toàn đạt $15$, độ chuyển vị cực đại là $0,01028\text{ mm}$. Cả hai dải băng xoắn đều thỏa mãn điều kiện bền uốn và xoắn.

4. Động cơ dẫn động chính của thùng trộn và sàng rung được chọn có thông số ra sao?

  • Động cơ thùng trộn: Sử dụng động cơ liền hộp giảm tốc (gear motor) công suất $P = 1,5\text{ kW}$, tốc độ quay trục chính $75\text{ vòng/phút}$ (đáp ứng công suất cản tính toán $0,443\text{ kW}$ với hệ số dự trữ $k_n = 2$ và hiệu suất truyền động $\eta = 0,8$).
  • Động cơ sàng rung: Sử dụng động cơ 4AA56A4Y3 công suất $0,12\text{ kW}$, tốc độ $1.380\text{ vòng/phút}$.

5. Cơ cấu nào đảm nhiệm việc nén mùn cưa và kẹp mở bao nilon trên máy đóng bịch?
Máy đóng bịch sử dụng cơ cấu vít tải để định lượng mùn cưa từ phễu nạp vào ống dẫn, cơ cấu cam kẹp phôi để tự động đóng mở miệng túi nilon PE đáy vuông, và cơ cấu culit kết hợp bánh răng trụ răng nón để truyền chuyển động tịnh tiến khứ hồi cho cần nén vật liệu vào sâu trong bịch.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán thiết kế cụm máy đóng bịch phôi nấm" đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán cơ giới hóa công đoạn phối trộn và đóng bịch cơ chất trồng nấm bằng việc thiết kế đồng bộ ba cụm thiết bị: thùng trộn băng xoắn kép tích hợp sàng rung, băng tải cấp liệu và máy đóng bịch nén ép định lượng 1,2 - 1,4 kg. Các tính toán cơ học giải tích kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn trên Autodesk Inventor 2014 đã chứng minh độ bền và độ tin cậy của các cụm truyền động đai, xích, bánh răng nón và cánh xoắn làm việc. Hệ thống đáp ứng yêu cầu năng suất 720 bịch/giờ với 3 nhân công vận hành, đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực cho ngành sản xuất nấm thương phẩm tại Việt Nam.