Giới thiệu dự án

Theo thống kê từ Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM, mỗi năm thành phố phát sinh khoảng 250.000 tấn rác thải nhựa, trong đó tỷ lệ rác thải bao bì màng xốp và túi nilon chiếm hơn 20% tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt và công nghiệp. Trong khi nhu cầu nguyên liệu của ngành công nghiệp tái chế trong nước đạt 1,6 - 1,7 triệu tấn/năm, nguồn thu gom nội địa chỉ đáp ứng được khoảng 300.000 tấn do hạn chế lớn về hạ tầng xử lý, đóng gói và logistics.

Vấn đề cốt lõi (Problem Statement) trong dây chuyền tái chế nhựa nằm ở khâu thu gom, phân loại và đóng gói sơ bộ. Các loại phế phẩm bao bì nhựa như Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), Polyvinyl Chloride (PVC) có khối lượng riêng xốp rất thấp (tỷ trọng rời chỉ $15 - 30\text{ kg/m}^3$) nhưng thể tích cồng kềnh, khiến chi phí kho bãi và cước vận chuyển tăng vọt từ 300% đến 400%. Phương pháp đóng bao thủ công truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng: năng suất thấp (dưới $0{,}5\text{ tấn/giờ}$ cho một tổ công nhân), lực nén không đồng đều, mật độ bao thấp và tiềm ẩn nguy cơ chấn thương cơ xương khớp do thao tác dồn nén cơ bắp liên tục.

Nhằm giải quyết triệt để bài toán trên, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy vào bao bán tự động nguyên liệu nhựa tái chế" được triển khai bởi nhóm nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM dưới sự hướng dẫn của ThS. Đoàn Tất Linh, ứng dụng thực tế tại Công ty TNHH Nhựa Tân Phát.

Mục tiêu kỹ thuật định lượng của dự án bao gồm:

  1. Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí và hệ thống truyền động điện - khí nén cho máy dồn bao phế phẩm nhựa.
  2. Đạt năng suất định mức $\ge 2{,}0\text{ tấn/giờ}$ nguyên liệu xơ xốp, màng bọc.
  3. Tạo lực nén ép $F = 300\text{ kgf}$ ($3000\text{ N}$) ép chặt nguyên liệu vào bao chứa thể tích chuẩn $1{,}8\text{ m}^3$.
  4. Tối ưu hóa chu kỳ làm việc của cơ cấu chấp hành với thời gian dẫn động $T \le 2\text{ giây}$.
  5. Đảm bảo hệ thống vận hành bán tự động ổn định, an toàn, dễ bảo trì trong môi trường bụi công nghiệp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cơ cấu cấp liệu, buồng ép, bàn trượt gá bao và mạch điều khiển điện khí nén chuyên dụng cho các loại nhựa bao bì xơ xốp màng dẻo (PE, PP, PVC), sử dụng nguồn khí nén tiêu chuẩn nhà xưởng ($6\text{ bar}$).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát các giải pháp dồn ép và đóng gói phế liệu trên thị trường hiện nay cho thấy sự phân hóa rõ rệt giữa các cơ cấu dẫn động:

Tiêu chí kỹ thuật Phương pháp thủ công Hệ thống ép Trục vít - Me bi Máy ép khí nén bán tự động (Dự án)
Năng suất đóng gói $0{,}3 - 0{,}5\text{ tấn/giờ}$ $1{,}2 - 1{,}5\text{ tấn/giờ}$ $2{,}0 - 2{,}15\text{ tấn/giờ}$
Lực ép tối đa Phụ thuộc thể lực ($< 50\text{ kgf}$) Lớn ($500 - 1500\text{ kgf}$) Định mức $300\text{ kgf}$ ($3000\text{ N}$)
Độ nhạy bụi bẩn Không áp dụng Rất cao (dễ kẹt bi, mòn ren) Rất thấp (xi lanh kín khí tiêu chuẩn)
Chi phí chế tạo & bảo trì Thấp nhất Rất cao Tối ưu (tiết kiệm $45%$ so với trục vít)
Hành trình làm việc Không ổn định Ngắn, giới hạn cơ khí Dài ($L = 975\text{ mm}$)
Độ an toàn vận hành Kém (nguy cơ chấn thương) Trung bình Cao (tích hợp E-Stop và van an toàn)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have: Năng suất $2\text{ tấn/giờ}$; lực ép $300\text{ kgf}$; hành trình ép $975\text{ mm}$; nút dừng khẩn cấp (E-Stop).
  • Should-have: Khung máy thép CT3/C45 chịu lực phân tích bằng CAE; cơ cấu gá bao bu-lông kẹp nhanh; xe trượt phụ ray chữ V.
  • Could-have: Cảm biến đếm số bao tự động; bộ điều tốc hành trình khí nén độc lập hai chiều.
  • Won't-have: Tay gắp robot tự động đóng miệng bao hoàn toàn (để tối ưu chi phí đầu tư ban đầu).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc máy vào bao bán tự động bao gồm 5 cụm module chính: Phễu nạp rác (Hopper), Thùng máy buồng ép (Chamber), Bộ khung chân chịu lực (Base Frame), Cụm truyền động xi lanh - đầu ép (Pneumatic Actuator), và Hệ thống xe trượt gá bao ray V (Mobile Carriage).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG MÁY VÀO BAO BÁN TỰ ĐỘNG            |
+-------------------------------------------------------------------------+
       [ Phễu Cấp Liệu ] -----> [ Thùng Buồng Ép ]
                                       |
  [ Nguồn Khí Nén 6 bar ]              v
             |               [ Cụm Đầu Ép Thép C45 ]
             v                         ^
   [ Van Điện Từ 5/2 ]                 |
             |                         |
             +---------> [ Xi Lanh Khí Nén D80xL975 ]
                                       |
                                       v
                             [ Bao Chứa 1.8 m3 ]
                                       ^
                                       |
                        [ Xe Trượt Phụ Chạy Ray V ]

Hệ thống truyền động và phần mềm áp dụng:

  • Phần mềm thiết kế & tính toán CAE: Dassault Systèmes SolidWorks 2014 (Simulation module phân tích ứng suất tĩnh và chuyển vị Von-Mises).
  • Vật liệu chế tạo khung buồng: Thép tấm CT3 (theo TCVN 1765-75, tương đương GOST St3sp / JIS SS400) có giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 235 - 245\text{ MPa}$, độ bền kéo $\sigma_b = 373 - 481\text{ MPa}$.
  • Vật liệu đầu ép và trục chịu tải: Thép cacbon kết cấu C45 (TCVN) / S45C (JIS) / AISI 1045 có $\sigma_b \ge 600\text{ MPa}$, tôi cải thiện độ cứng.
  • Cơ cấu chấp hành khí nén: Xi lanh khí nén tác động kép đường kính nòng $D = 80\text{ mm}$, hành trình $L = 975\text{ mm}$, van điều khiển hướng 5/2 điều khiển điện khí nén (Solenoid Valve 24VDC), van tiết lưu một chiều chỉnh tốc độ.

Công thức tính toán chọn đường kính xi lanh theo tải trọng yêu cầu: Áp suất khí nén cấp định mức: $p = 6\text{ bar} = 6{,}1183\text{ kgf/cm}^2 = 0{,}6\text{ MPa}$. Tải trọng ép yêu cầu: $F = 300\text{ kgf} = 3000\text{ N}$.

Đường kính làm việc lý thuyết của nòng xi lanh ($D$): $$D = \sqrt{\frac{4 \cdot F}{\pi \cdot p}} = \sqrt{\frac{4 \times 300}{\pi \times 6{,}1183}} \approx 7{,}903\text{ cm} = 79{,}03\text{ mm}$$

Nhóm thiết kế chọn đường kính tiêu chuẩn công nghiệp $D = 80\text{ mm}$, hành trình $L = 975\text{ mm}$. Diện tích làm việc của piston $A = \frac{\pi \cdot D^2}{4} = \frac{\pi \cdot 8^2}{4} = 50{,}265\text{ cm}^2$. Lực ép hiệu dụng thực tế: $$F_{thực} = p \cdot A = 6{,}1183 \times 50{,}265 = 307{,}54\text{ kgf} > 300\text{ kgf} \quad (\text{đạt yêu cầu kỹ thuật})$$

Methodology

Dự án áp dụng quy trình phát triển kỹ thuật cơ điện tử (V-Model):

  1. Khảo sát & Lập hồ sơ kỹ thuật (Tuần 1 - 3): Khảo sát thực tế cơ tính của phế phẩm nhựa PE, PP tại xưởng Tân Phát; xác định đặc tính biến dạng đàn hồi của vật liệu xơ xốp.
  2. Mô hình hóa 3D & Mô phỏng CAE (Tuần 4 - 8): Thiết kế toàn bộ chi tiết trên SolidWorks 2014; chạy mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) cho phễu nạp, thùng ép và khung chân dưới tải trọng $3000\text{ N}$.
  3. Gia công chế tạo & Lắp ráp (Tuần 9 - 14): Cắt plasma CNC thép tấm CT3, hàn kết cấu giằng chịu lực, tiện đầu nối ren thép C45, gia công bánh xe sắt ray V và xe trượt gá bao.
  4. Tích hợp điện khí nén & Thử nghiệm thực địa (Tuần 15 - 20): Đấu nối tủ điện điều khiển relay, van đảo chiều, chạy thử nghiệm tải rác thực tế tại Công ty Tân Phát, tinh chỉnh áp suất và lưu lượng.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình gia công cơ khí tập trung vào việc tạo độ cứng vững cho thùng ép và phễu nạp để triệt tiêu biến dạng dư khi đầu ép tác động lực liên tục. Thùng máy được hàn từ các tấm thép CT3 dày $3\text{ mm} - 5\text{ mm}$, gia cố các thanh V chịu lực dọc thân. Đầu ép được kết nối với cần piston xi lanh thông qua khớp nối thép C45 ren trung tâm, có mặt bích phân phối lực đều trên tiết diện ép.

// Thuật toán điều khiển chu trình ép dồn tự động (Structured Text Pseudo-code)
PROGRAM SemiAuto_Bagging_Control
VAR
    Start_Button     : BOOL; // Nút nhấn Start (NO)
    Emergency_Stop   : BOOL; // Nút dừng khẩn cấp (NC)
    Reed_Switch_Fwd  : BOOL; // Cảm biến xi lanh chạm hết hành trình tiến
    Reed_Switch_Back : BOOL; // Cảm biến xi lanh thu về hết hành trình
    Solenoid_Push    : BOOL; // Cuộn điều khiển van tiến (5/2 Solenoid A)
    Solenoid_Retract : BOOL; // Cuộn điều khiển van lùi (5/2 Solenoid B)
    Step_State       : INT := 0; // Trạng thái chu trình
END_VAR

// Logic vận hành
IF Emergency_Stop THEN
    Solenoid_Push := FALSE;
    Solenoid_Retract := FALSE;
    Step_State := 0; // Dừng ngắt toàn bộ nguồn khí nén
ELSIF Start_Button AND Step_State = 0 THEN
    Step_State := 1; // Khởi động chu kỳ ép
END_IF;

CASE Step_State OF
    1: // Đẩy đầu nén đi hết hành trình 975mm
        Solenoid_Push := TRUE;
        Solenoid_Retract := FALSE;
        IF Reed_Switch_Fwd THEN
            Step_State := 2;
        END_IF;
        
    2: // Tự động thu đầu nén về vị trí ban đầu
        Solenoid_Push := FALSE;
        Solenoid_Retract := TRUE;
        IF Reed_Switch_Back THEN
            Solenoid_Retract := FALSE;
            Step_State := 0; // Hoàn tất 1 chu kỳ ép (T = 2s)
        END_IF;
END_CASE;

Testing và validation

Quá trình thử nghiệm thực nghiệm được tiến hành trực tiếp trên dây chuyền nguyên liệu nhựa phế thải tại Công ty Nhựa Tân Phát qua 3 đợt chạy máy tải cao:

Đợt kiểm tra Loại nguyên liệu dồn ép Khối lượng bao chuẩn ($1{,}8\text{ m}^3$) Thời gian dồn đầy bao Năng suất quy đổi Áp suất khí duy trì
Lần 1 Màng PE cắt vụn & bao nilon $155\text{ kg}$ $4{,}4\text{ phút}$ $2{,}11\text{ tấn/giờ}$ $6{,}0\text{ bar}$
Lần 2 Dây đai PP, sợi dệt bao bì $170\text{ kg}$ $4{,}8\text{ phút}$ $2{,}12\text{ tấn/giờ}$ $6{,}0\text{ bar}$
Lần 3 Hỗn hợp màng PE/PP/PVC $160\text{ kg}$ $4{,}5\text{ phút}$ $2{,}13\text{ tấn/giờ}$ $6{,}2\text{ bar}$

Kết quả phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trên SolidWorks 2014 Simulation:

  • Ứng suất Von-Mises lớn nhất trên thành phễu & thùng: $\sigma_{max} = 112{,}4\text{ MPa}$ (tập trung tại góc hàn liên kết chân đỡ), nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền chảy cho phép của thép CT3 ($\sigma_{ch} = 235\text{ MPa}$). Hệ số an toàn kết cấu đạt $n = \frac{235}{112{,}4} = 2{,}09$.
  • Độ biến dạng chuyển vị lớn nhất (Displacement): $0{,}42\text{ mm}$ tại tâm tấm ép đầu piston, hoàn toàn không gây kẹt hành trình dọc vách thùng ép.

Kết quả đạt được

Hệ thống máy vào bao bán tự động đã hoàn thành xuất sắc các chỉ tiêu thiết kế:

  • Năng suất thực tế: Đạt $2{,}12\text{ tấn/giờ}$ (vượt $6%$ so với mục tiêu $2{,}0\text{ tấn/giờ}$).
  • Thời gian chu kỳ ép: Đạt $T = 2{,}0\text{ giây}$ cho một hành trình kép (tiến và lùi $975\text{ mm}$).
  • Hệ số lèn chặt thể tích: Giảm thể tích tự nhiên của phế liệu màng xốp từ $1{,}8\text{ m}^3$ xuống tỷ trọng đóng gói đạt $85 - 95\text{ kg/m}^3$, giúp tăng sức chứa của bao tải tiêu chuẩn lên gấp 3 lần so với dồn thủ công.
  • Tính ổn định: Mạch điều khiển nút nhấn kết hợp van điện từ 5/2 hoạt động chính xác $100%$ qua 500 chu kỳ thử nghiệm liên tục, không xảy ra hiện tượng kẹt áp hay tụt áp khí nén.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu gá bao bu-lông lớn kết hợp xe trượt ray V: Khắc phục hoàn toàn tình trạng trượt hoặc rách miệng bao khi chịu áp lực nén $300\text{ kgf}$. Thiết kế gá kẹp biên bu-lông nhanh cho phép người vận hành cố định bao $1{,}8\text{ m}^3$ chỉ trong $25 - 30\text{ giây}$.
  2. Tối ưu hóa hệ thống động lực khí nén: Bằng việc chọn lựa đường kính piston $D = 80\text{ mm}$ tương thích trực tiếp với nguồn khí $6\text{ bar}$ sẵn có của nhà máy, hệ thống loại bỏ nhu cầu sử dụng trạm nguồn thủy lực cồng kềnh, giảm $60%$ chi phí tiêu thụ điện năng so với máy ép thủy lực cùng phân khúc và loại bỏ triệt để nguy cơ rò rỉ dầu khoáng vào nguyên liệu tái chế.
  3. Cơ cấu dẫn hướng chống xoay đầu ép: Tấm ép được thiết kế ray trượt tự lựa bên trong lòng thùng máy, giúp triệt tiêu mô-men xoắn cục bộ sinh ra do tính chất phân bố không đều của rác thải nhựa khi nén ép.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế

Hệ thống được thiết kế tối ưu cho:

  • Các trạm thu gom và sơ chế rác thải nhựa màng bọc PE/PP đô thị.
  • Các nhà máy sản xuất hạt nhựa tái sinh (giai đoạn nạp phế liệu trước khi đưa vào máy băm nghiền hoặc phễu sấy JS-100KG, máy đùn tạo hạt SDJ72/180).
  • Các xưởng gia công may bao bì công nghiệp dồn ép phế phẩm xơ sợi.

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí chế tạo máy: Khoảng $38.000.000 - 45.000.000\text{ VNĐ}$ (bao gồm vật liệu thép CT3/C45, xi lanh khí nén $D80 \times L975$, hệ thống van và tủ điều khiển).
  • Tiết kiệm nhân công: Thay thế $3$ lao động trực tiếp tại khâu đóng bao, tiết kiệm chi phí nhân công khoảng $21.000.000\text{ VNĐ/tháng}$.
  • Tiết kiệm vận chuyển: Tăng mật độ xếp dỡ trên xe tải thùng từ $2{,}5\text{ tấn/chuyến}$ lên $6{,}8\text{ tấn/chuyến}$, cắt giảm $63%$ chi phí cước vận tải nguyên liệu phế thải.
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Ước tính từ $2{,}2$ đến $3{,}0$ tháng vận hành liên tục.
+-----------------------------------------------------------------------+
|                LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ           |
+-----------------------------------------------------------------------+
 [ Giai đoạn 1: Chuẩn bị hạ tầng ] (Tuần 1)
 [ Giai đoạn 2: Lắp dựng & Căn chỉnh ] (Tuần 2)
 [ Giai đoạn 3: Đào tạo & Vận hành thử ] (Tuần 3)
 [ Giai đoạn 4: Nghiệm thu & Bàn giao ] (Tuần 4)

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Hệ thống vận hành ở chế độ bán tự động; công nhân vẫn phải thực hiện thao tác luồn bao vào miệng phễu và siết bu-lông gá kẹp.
  • Chưa tích hợp cảm biến đo tải trọng (Loadcell) để tự động dừng chu kỳ khi đạt khối lượng bao chính xác theo yêu cầu thương mại.

Hướng phát triển đề xuất

  1. Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC: Thay thế mạch relay trung gian bằng vi điều khiển PLC (như Siemens S7-1200 hoặc Mitsubishi FX3U) để quản lý đa chu trình ép tự động và giám sát dữ liệu qua màn hình HMI.
  2. Hệ thống kẹp bao khí nén tự động: Thay thế bu-lông kẹp cơ khí bằng 4 xi lanh kẹp khí nén mini tác động nhanh, giảm thời gian gá bao từ $30\text{ giây}$ xuống dưới $5\text{ giây}$.
  3. Tích hợp cảm biến cân định lượng: Lắp đặt 4 loadcell cảm biến lực dưới khung chân xe trượt ray V, tự động báo hiệu khi khối lượng bao đạt đủ $150\text{ kg} - 200\text{ kg}$.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Cơ khí Chế tạo máy / Tự động hóa: Cung cấp tài liệu thực chứng toàn diện về phương pháp tính toán chọn lựa thiết bị khí nén công nghiệp, thiết kế máy công cụ và ứng dụng công cụ CAE SolidWorks Simulation trong phân tích ứng suất kết cấu thực tế.
  • Kỹ sư thiết kế máy: Cung cấp giải pháp thiết kế module hóa cho các cơ cấu nén ép rác thải xơ xốp với chi phí gia công chế tạo thấp.
  • Doanh nghiệp và Nhà máy tái chế nhựa: Tiếp cận giải pháp công nghệ nội địa hóa với chi phí chỉ bằng $1/4$ so với dây chuyền ngoại nhập, nâng cao năng suất đóng gói lên $2\text{ tấn/giờ}$ và tối ưu hóa diện tích lưu trữ kho bãi.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật hạ tầng để lắp đặt và vận hành máy là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn cấp khí nén áp suất làm việc ổn định $6 - 8\text{ bar}$, lưu lượng cấp tối thiểu $350\text{ lít/phút}$ và nguồn điện lưới điều khiển 1 pha $220\text{V}/50\text{Hz}$ (công suất tiêu thụ điện dưới $0{,}5\text{ kW}$ cho mạch điều khiển và van điện từ).

2. Máy có thể dồn ép được các loại nhựa cứng như vỏ chai PET hoặc can HDPE dày không?

Hệ thống được tính toán lực nén $300\text{ kgf}$ chuyên biệt cho các phế phẩm nhựa màng dẻo, xơ xốp, túi nilon, màng bọc PE/PP/PVC. Đối với vỏ chai PET hoặc can nhựa cứng HDPE, hệ thống cần nâng cấp nòng xi lanh lên $D = 125\text{ mm} - 160\text{ mm}$ (cho lực ép $800 - 1200\text{ kgf}$) để đảm bảo hiệu quả làm bẹp thể tích.

3. Việc tích hợp máy vào dây chuyền sản xuất hiện hữu có phức tạp không?

Máy có kết cấu độc lập, chiều cao miệng nạp rác tương thích trực tiếp với các đầu xả của băng tải cấp liệu công nghiệp hoặc đặt ngay sau công đoạn phân loại thủ công, cho phép đưa vào vận hành mà không cần cải tạo nhà xưởng.

4. Quy trình bảo trì, bảo dưỡng định kỳ hệ thống bao gồm những gì?

Hằng ngày: Xả nước đọng ở bộ lọc khí nén và kiểm tra mức dầu bôi trơn khí nén (khuyến nghị châm dầu ISO VG32). Hằng tháng: Kiểm tra độ rơ của bánh xe ray V, bôi mỡ bôi trơn ổ lăn và siết chặt các bulông liên kết khung máy.

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

Với tổng mức đầu tư chế tạo khoảng $40\text{ triệu VNĐ}$, nhờ cắt giảm 3 nhân công đóng bao thủ công và giảm $63%$ chi phí xe vận chuyển nguyên liệu, doanh nghiệp thu hồi toàn bộ vốn đầu tư trong thời gian từ $2{,}2$ đến $3$ tháng sản xuất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy vào bao bán tự động nguyên liệu nhựa tái chế" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ giới hóa và bán tự động hóa khâu thu gom, đóng bao phế phẩm nhựa xơ xốp. Việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết cơ học, mô phỏng số CAE trên SolidWorks 2014 và chế tạo thực nghiệm tại Công ty Nhựa Tân Phát đã chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế vượt trội của máy: năng suất đạt $2{,}12\text{ tấn/giờ}$, lực ép $300\text{ kgf}$, chu kỳ dẫn động nhanh $2\text{ giây}$, giảm $63%$ chi phí vận chuyển. Đây là giải pháp kỹ thuật thiết thực đóng góp vào việc hoàn thiện chuỗi cung ứng nguyên liệu cho ngành công nghiệp tái chế chất thải tại Việt Nam. Các doanh nghiệp và xưởng tái chế có thể áp dụng ngay mô hình này để nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động thủ công.