Giới thiệu dự án
Ngành chế biến thủy hải sản tại Việt Nam, đặc biệt là chuỗi cung ứng sản phẩm giá trị gia tăng từ cá thát lát (như chả cá thát lát, cá viên), đang đối mặt với bài toán tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao năng suất. Theo các khảo sát thực tế tại các cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên, công đoạn nạo tách thịt cá từ phôi phi lê hiện nay vẫn phụ thuộc chủ yếu vào thao tác thủ công (dùng muỗng hoặc dao chuyên dụng).
Phương pháp thủ công tồn tại nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng:
- Tốn nhân công và chi phí vận hành: Một nhân công lành nghề chỉ đạt năng suất trung bình 15–20 kg nguyên liệu/giờ, đòi hỏi số lượng lớn nhân lực cho các đơn hàng quy mô tấn.
- Tỷ lệ thu hồi thịt không đồng đều: Tỷ lệ sót thịt trên da và xương dao động từ 15% đến 25%, gây lãng phí nguyên liệu thô có giá trị kinh tế cao.
- Rủi ro an toàn vệ sinh thực phẩm (ATVSTP): Thời gian tiếp xúc nhiệt độ môi trường kéo dài làm giảm độ tươi và độ quánh dẻo tự nhiên của protein sợi cơ cá thát lát (nhiệt độ thịt cá dễ vượt ngưỡng kiểm soát $5^\circ\text{C}$).
Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy tách thịt và xương cá" được thực hiện nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên với các mục tiêu cụ thể:
- Xác định chính xác thông số cơ lý của nguyên liệu cá thát lát qua thực nghiệm (lực ép tách thịt trung bình đạt chuẩn).
- Tính toán, thiết kế hệ thống động học và kết cấu máy ép tách thịt cá bán tự động, sử dụng nguyên lý phối hợp giữa trục cán ép và băng tải lọc.
- Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô hình hóa 3D, mô phỏng chuyển động và tối ưu hóa bền cho các cụm chi tiết máy.
- Chế tạo thực tế mô hình máy, tích hợp bộ truyền động đai và bánh răng với công suất $0{,}75\text{ kW}$, đạt năng suất thiết kế mục tiêu $1\text{ tấn/ngày}$.
- Kiểm nghiệm, đánh giá độ bền tiếp xúc, độ bền uốn của bộ truyền và chất lượng thành phẩm thịt cá sau tách.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguyên liệu cá thát lát đã qua sơ chế (cắt đầu, bỏ nội tạng, phi lê lấy hai bên lườn cá). Giới hạn thử nghiệm tập trung vào kết cấu cơ khí bán tự động, kiểm soát lực ép cơ học để tránh làm dập nát xương dăm lẫn vào thịt cá tinh.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Khảo sát công nghệ tách xương thịt cá hiện có trên thị trường cho thấy sự phân hóa rõ rệt giữa phương pháp thủ công và các dây chuyền nhập khẩu công nghiệp:
| Tiêu chí so sánh | Phương pháp nạo thủ công | Máy ép trục vít / Piston thủy lực | Máy ép cán lô - Băng tải (Giải pháp đề xuất) |
|---|---|---|---|
| Năng suất xử lý | Thấp ($15 - 20\text{ kg/h/người}$) | Trung bình ($80 - 120\text{ kg/h}$) | Cao ($120 - 150\text{ kg/h}$, tiệm cận $1\text{ tấn/ngày}$) |
| Chất lượng thịt tách | Thịt nguyên thớ, không nát | Thịt bị nghiền nhỏ, dễ vỡ xương dăm | Thịt mịn, không dập vỡ xương, giữ độ đàn hồi |
| Chi phí đầu tư | Thấp (chỉ tốn dụng cụ cầm tay) | Rất cao ($80 - 150\text{ triệu VNĐ}$) | Tối ưu ($15 - 25\text{ triệu VNĐ}$) |
| Khả năng vệ sinh (CIP) | Khó kiểm soát vi sinh đồng đều | Phức tạp, khó tháo lắp trục vít | Dễ dàng tháo rời băng tải, trục inox để cọ rửa |
| Độ bền thiết bị | Phụ thuộc hoàn toàn vào thợ | Phớt thủy lực/xilanh dễ rò rỉ dầu | Kết cấu cơ khí bền bỉ, dễ bảo trì |
Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:
- Must have: Cụm trục cán đạt đường kính tiêu chuẩn không gây trượt phôi; động cơ truyền động công suất $0{,}75\text{ kW}$; tách triệt để da và xương chính; vật liệu tiếp xúc thực phẩm bằng Inox/vải cao su tiêu chuẩn.
- Should have: Bộ căng đai tự động; cơ cấu gạt bã xương và gạt thịt riêng biệt; tấm chắn bảo hộ cơ khí.
- Could have: Biến tần điều chỉnh vô cấp tốc độ trục cán; phễu cấp liệu rung tự động.
- Won't have: Hệ thống rửa tự động CIP áp lực cao; cảm biến quang học nhận diện tạp chất (để tối ưu chi phí chế tạo).
Thiết kế hệ thống
Hệ thống máy tách thịt và xương cá được thiết kế theo dạng module hóa đồng bộ, gồm 4 cụm chính:
- Nguồn động lực: Động cơ điện xoay chiều 3 pha K90S4 ($P = 0{,}75\text{ kW}$, $n = 1420\text{ vòng/phút}$).
- Hệ thống dẫn động giảm tốc:
- Cấp 1: Bộ truyền đai thang loại A tiêu chuẩn ANSI/RMA IP-20 ($i_{đ} = 3$).
- Cấp 2: Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng cấp nhanh ($u_1 = 6{,}86$).
- Cấp 3: Cặp bánh răng trụ cấp chậm ($u_2 = 3{,}5$).
- Tổng tỷ số truyền toàn hệ thống: $i_c = 75$, đưa số vòng quay trục cán chính về $n_t \approx 20\text{ vòng/phút}$.
- Cụm chấp hành ép tách: Trục cán ép bọc Inox đục lỗ kết hợp băng tải cao su nhiều lớp chịu lực, khe hở cán điều chỉnh linh hoạt từ $2\text{ mm}$ đến $5\text{ mm}$.
- Khung vỏ và cơ cấu thu gom: Khung thép hộp định hình chịu lực, tích hợp máng gom thịt lọt qua lỗ trục cán và dao cạo bã xương cá ở mặt ngoài băng tải.
[ Động cơ K90S4 (0.75kW, 1420 rpm) ]
│
(Bộ truyền đai thang A, i=3)
▼
[ Trục I: Hộp giảm tốc (473 rpm) ]
│
(Bánh răng nghiêng cấp 1, u=6.86)
▼
[ Trục II (69 rpm) ]
│
(Bánh răng trụ cấp 2, u=3.5)
▼
[ Trục III: Trục cán chính (20 rpm) ] ── (Ăn khớp) ──> [ Băng tải ép phôi ]
│ │
[ Máng dẫn thịt cá ] [ Lưỡi dao gạt xương da ]
Methodology
Đề tài áp dụng quy trình thiết kế cơ khí chính xác kết hợp kiểm chứng thực nghiệm:
- Xác định thông số đầu vào bằng thực nghiệm: Tiến hành khảo sát lực ép nạo thịt cá thát lát trên 50 mẫu thử (chia 10 đợt đo). Lực ép tách thịt trung bình đạt được: $F_c = 750\text{ N}$ (biên độ $700 - 770\text{ N}$).
- Tính toán động học và kết cấu: Sử dụng các công thức sức bền vật liệu và nguyên lý chi tiết máy tiêu chuẩn TCVN để tính toán trục, ổ lăn, then và bánh răng.
- Ứng dụng CAD/CAE: Thiết kế mô hình 3D trên Autodesk Inventor 2015, sử dụng module Design Accelerator để tự động hóa tính toán độ bền mỏi và mô phỏng tải trọng va đập.
Implementation và kết quả
Development process
Quá trình chế tạo và tích hợp máy diễn ra qua các giai đoạn:
- Thiết kế sơ bộ và tính toán thông số cán: Dựa trên điều kiện phôi cá đi vào vùng ép tự nhiên (không bị trượt ngược), góc ăn lớn nhất chọn $\alpha = 15^\circ$. Với chiều dày cá trước cán $h_0 = 10\text{ mm}$, sau cán $h_1 = 5\text{ mm}$ (lượng ép tuyệt đối $\Delta h = 5\text{ mm}$):
$$D \ge \frac{2\Delta h}{1 - \cos\alpha} = \frac{2 \times 5}{1 - \cos 15^\circ} = \frac{10}{1 - 0{,}9659} \approx 293{,}25\text{ mm}$$
Nhóm quyết định chọn đường kính trục cán chuẩn $D = 300\text{ mm}$.
- Tính toán phân phối công suất và mômen xoắn: Hiệu suất tổng hệ thống:
$$\eta = \eta_đ \cdot \eta_{ol}^5 \cdot \eta_{br}^3 \cdot \eta_{kn} \cdot \eta_{bt} = 0{,}96 \times 0{,}99^5 \times 0{,}98^3 \times 0{,}99 \times 0{,}8 \approx 0{,}68$$
Công suất công tác yêu cầu: $N_{ct} = \frac{P_\Sigma \cdot v}{1000} = \frac{750 \times 0{,}4}{1000} = 0{,}3\text{ kW}$. Công suất động cơ yêu cầu: $N_{đc} = \frac{N_{ct}}{\eta} = \frac{0{,}3}{0{,}68} \approx 0{,}44\text{ kW}$. Chọn động cơ $0{,}75\text{ kW}$ để đảm bảo hệ số dự trữ quá tải khi phôi cá có kích thước không đồng đều.
Bảng phân phối động học trên các trục:
| Thông số | Trục động cơ | Trục I | Trục II | Trục III (Trục cán) | Trục IV (Băng tải) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tỷ số truyền ($i$) | 1 | 3,00 | 6,86 | 3,50 | 0,71 |
| Số vòng quay ($n$ - vòng/phút) | 1420 | 473 | 69 | 20 | 28 |
| Công suất ($N$ - kW) | 0,75 | 0,71 | 0,69 | 0,67 | 0,65 |
| Mômen xoắn ($T$ - Nmm) | 5.044 | 14.335 | 95.500 | 319.925 | 182.573 |
- Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng nghiêng cấp 1:
- Vật liệu: Thép C45 tôi cải thiện, độ rắn bánh nhỏ $HB_1 = 245$ ($\sigma_{b1} = 850\text{ MPa}$, $\sigma_{ch1} = 580\text{ MPa}$), bánh lớn $HB_2 = 230$ ($\sigma_{b2} = 750\text{ MPa}$, $\sigma_{ch2} = 450\text{ MPa}$).
- Ứng suất tiếp xúc cho phép: $[\sigma_H]_1 = 509\text{ MPa}$, $[\sigma_H]_2 = 481{,}8\text{ MPa} \implies [\sigma_H] = 495{,}4\text{ MPa}$.
- Ứng suất uốn cho phép: $[\sigma_F]_1 = 252\text{ MPa}$, $[\sigma_F]_2 = 236{,}5\text{ MPa}$.
- Khoảng cách trục sơ bộ $a_w = 105\text{ mm}$, môđun pháp tuyến $m = 2\text{ mm}$.
- Số răng: $z_1 = 13$, $z_2 = 89 \implies u_m = 6{,}84$.
- Góc nghiêng răng $\beta = 10^\circ 18' 16''$.
# Thuật toán kiểm nghiệm sức bền bánh răng trụ răng nghiêng
import math
def check_gear_strength(P1, n1, u, m, z1, z2, b_w, sigma_H_allow, sigma_F_allow):
# Đường kính vòng chia
d1 = (z1 * m) / math.cos(math.radians(10.3044))
v = (math.pi * d1 * n1) / (60 * 1000) # Vận tốc vòng (m/s)
# Ứng suất tiếp xúc tính toán (MPa)
sigma_H = 274 * math.sqrt((P1 * 10**6 * (u + 1)**3) / (b_w * u * d1**2 * n1))
contact_ok = sigma_H <= sigma_H_allow
# Ứng suất uốn tính toán (MPa)
Y_F1 = 3.9 # Hệ số dạng răng
sigma_F = (2 * 14335 * Y_F1) / (b_w * d1 * m)
bending_ok = sigma_F <= sigma_F_allow
return {
"v_mps": round(v, 2),
"sigma_H": round(sigma_H, 2),
"contact_passed": contact_ok,
"sigma_F": round(sigma_F, 2),
"bending_passed": bending_ok
}
# Thực thi kiểm nghiệm cho Trục I -> Trục II
results = check_gear_strength(0.71, 473, 6.84, 2, 13, 89, 35, 470.7, 236.5)
print(f"Ket qua kiem nghiem: sigma_H = {results['sigma_H']} MPa | sigma_F = {results['sigma_F']} MPa")
Testing và validation
Quá trình thử nghiệm tải thực tế được thực hiện với 50 kg cá thát lát tươi nguyên liệu:
- Kiểm tra độ bền tiếp xúc & uốn: Ứng suất tiếp xúc thực tế bánh răng đạt $\sigma_H = 462{,}3\text{ MPa} < [\sigma_H] = 470{,}7\text{ MPa}$ (đạt hệ số an toàn $S_H \approx 1{,}08$). Ứng suất uốn $\sigma_F = 112{,}4\text{ MPa} < [\sigma_F] = 236{,}5\text{ MPa}$ (thỏa mãn điều kiện bền mỏi).
- Hệ số trượt dây đai: Kiểm tra trên thẻ tính toán Inventor đạt $s = 0{,}015$ (trong giới hạn cho phép $0{,}01 - 0{,}02$).
- Độ ồn và nhiệt độ vận hành: Máy chạy êm ở vận tốc trục cán $20\text{ vòng/phút}$, độ ồn đo được đạt xấp xỉ $72\text{ dB}$, nhiệt độ bề mặt hộp giảm tốc ổn định ở mức $42^\circ\text{C}$ sau 4 giờ chạy liên tục.
Kết quả đạt được
- Tỷ lệ tách sạch thịt: Đạt $94{,}5%$, lượng thịt sót lại bám trên da và xương giảm xuống dưới $5{,}5%$ (giảm hơn $60%$ so với thao tác thủ công).
- Năng suất làm việc: Đạt $125\text{ kg cá/giờ}$, tương đương năng suất $1\text{ tấn/ngày}$ khi vận hành ca 8 tiếng.
- Chất lượng cảm quan: Thịt cá lọt qua khe lưới có kết cấu sợi đồng đều, không lẫn mảnh xương dăm lớn, bảo toàn độ kết dính cao phục vụ quy trình xay quết chả cá.
Đổi mới và đóng góp
- Cải tiến góc ngoạm cán tối ưu: Ứng dụng điều kiện tiếp xúc tự nhiên với góc $\alpha = 15^\circ$, kết hợp đường kính tang cán lớn ($D = 300\text{ mm}$) giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trượt ứ phôi tại cửa nạp liệu mà không cần trục ép cưỡng bức phức tạp.
- Tích hợp tính toán tự động hóa CAE: Quy trình thiết kế sử dụng thư viện tiêu chuẩn ANSI/RMA IP-20 và TCVN trên Autodesk Inventor, rút ngắn $70%$ thời gian thiết kế động học và xuất bản vẽ chế tạo chính xác.
- Tối ưu hóa chi phí chế tạo nội địa: Thay vì sử dụng hệ thống thủy lực đắt tiền, việc kết hợp bộ truyền đai giảm chấn quá tải và hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng nghiêng giúp hạ giá thành sản xuất xuống chỉ bằng $20%$ so với thiết bị ngoại nhập có cùng công suất.
Ứng dụng thực tế và triển khai
- Mô hình triển khai: Thích hợp chuyển giao cho các hợp tác xã chế biến cá thát lát đặc sản (như tại Huyện Lắk - Đắk Lắk, Hậu Giang, An Giang) và các cơ sở sản xuất giò chả thủy sản quy mô vừa và nhỏ.
- Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI):
- Chi phí đầu tư máy ban đầu: ~22.000.000 VNĐ.
- Tiết kiệm nhân công: Thay thế 5–6 lao động thủ công (tiết kiệm ~30.000.000 VNĐ/tháng tiền lương).
- Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): Dưới 1,5 tháng.
- Mở rộng dải nguyên liệu: Có thể điều chỉnh khe hở trục cán để ép tách gạch tôm, cua đồng hoặc nạo cá rô phi, cá basa phi lê.
Hạn chế và hướng phát triển
- Hạn chế kỹ thuật:
- Máy vẫn là dạng bán tự động, yêu cầu một công nhân đứng rải phôi phi lê lên bề mặt băng tải.
- Thao tác vệ sinh cuối ca làm việc cần tháo rời thủ công cụm máng hứng và dao gạt.
- Vỏ máy thép tấm chưa được xử lý đánh bóng điện hóa đạt chuẩn phòng sạch thực phẩm cao cấp.
- Hướng nâng cấp tiếp theo:
- Lắp đặt bộ biến tần (VFD) tích hợp cảm biến tải trọng để tự động điều chỉnh tốc độ cán theo kích thước mẻ cá.
- Cải tiến cụm phễu cấp liệu dạng băng chuyền rung tự động định hướng miếng phi lê.
- Ứng dụng toàn diện vật liệu Inox 304/316 chuẩn vi sinh trên toàn bộ khung vỏ máy.
Đối tượng hưởng lợi
- Sinh viên ngành Cơ khí Chế tạo máy / Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán hệ dẫn động cơ khí thực tế, liên kết giữa lý thuyết TCVN và phần mềm CAD/CAE Autodesk Inventor.
- Kỹ sư và xưởng cơ khí chế tạo: Có được bộ thông số kích thước, tỷ số truyền, ứng suất kiểm nghiệm chính xác để ứng dụng sản xuất thương mại ngay.
- Chủ cơ sở chế biến thủy sản: Nắm bắt phương án công nghệ giảm thiểu chi phí nhân công, nâng cao tỷ lệ thu hồi thịt cá và đảm bảo tiêu chuẩn ATVSTP.
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu nguồn điện và điều kiện mặt bằng để lắp đặt máy là gì?
Máy sử dụng động cơ điện 3 pha công suất $0{,}75\text{ kW}$ (có thể thay thế bằng động cơ 1 pha $220\text{V}$ kèm tụ khởi động nếu dùng tại hộ gia đình). Diện tích chiếm chỗ nhỏ gọn, chỉ khoảng $1{,}2\text{ m} \times 0{,}8\text{ m} \times 1{,}1\text{ m}$ (Dài x Rộng x Cao).
2. Máy có làm nát xương dăm và lẫn vào thịt cá không?
Không. Nhờ tính toán chính xác lực ép thực nghiệm giới hạn ở mức $F_c = 750\text{ N}$ và khe hở trục cán điều chỉnh linh hoạt từ $2 - 5\text{ mm}$, xương sống và da cá có độ dai lớn sẽ bị giữ lại bên ngoài băng tải và gạt ra ngoài, chỉ có phần cơ thịt mềm mới lọt qua các lỗ đột trên trục cán.
3. Tỷ số truyền $i_c = 75$ được phân bố như thế nào giữa các cấp truyền động?
Tỷ số truyền chung được chia làm 3 cấp: cấp đai thang ngoài vỏ máy $i_đ = 3$, cấp bánh răng nghiêng nhanh $u_1 = 6{,}86$ và cấp bánh răng chậm $u_2 = 3{,}5$ ($3 \times 6{,}86 \times 3{,}5 \approx 72 - 75$). Cách phân bố này giúp kích thước hộp giảm tốc nhỏ gọn và tận dụng được tính năng trượt an toàn của đai khi kẹt tải.
4. Quy trình bảo trì và thay thế phụ tùng định kỳ như thế nào?
- Hằng ngày: Tháo rửa máng dẫn thịt, lưỡi dao gạt và xịt rửa băng tải cao su bằng nước ấm/dung dịch khử khuẩn.
- Định kỳ 3 tháng: Tra mỡ ổ lăn, kiểm tra độ căng dây đai thang A.
- Định kỳ 6 tháng: Thay dầu bôi trơn hộp giảm tốc bánh răng nghiêng.
5. Chi phí chế tạo toàn bộ máy tách thịt cá là bao nhiêu?
Tổng chi phí gia công và mua sắm vật tư (động cơ $0{,}75\text{ kW}$, nhông, bánh răng thép C45 tôi cải thiện, trục Inox đục lỗ, băng tải cao su và gia công khung vỏ) dao động từ 18.000.000 đến 22.000.000 VNĐ tùy thời điểm giá thép.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy tách thịt và xương cá" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa một khâu then chốt trong quy trình chế biến thực phẩm thủy sản. Bằng sự kết hợp chặt chẽ giữa khảo sát thực nghiệm lực nạo ($750\text{ N}$), tính toán cơ học chuẩn xác (bộ truyền bánh răng nghiêng thép C45, đường kính trục cán $D = 300\text{ mm}$), và mô phỏng trên Autodesk Inventor, mô hình máy thực nghiệm đã vận hành ổn định, đạt năng suất $1\text{ tấn/ngày}$ với tỷ lệ thu hồi thịt sạch trên $94{,}5%$. Đây là cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc để thương mại hóa thiết bị, nâng cao năng lực cạnh tranh cho ngành chế biến thủy sản nội địa.