Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam đóng góp khoảng 20% tổng sản phẩm nội địa (PIB), với mức tăng trưởng nhu cầu tiêu thụ ước tính đạt 12% mỗi năm. Cùng với sự phát triển của các mặt hàng thực phẩm như bánh kem sinh nhật, bánh bông lan, bánh trứng chiên, kem flan và đặc biệt là công nghệ sản xuất bột trứng, nhu cầu sử dụng nguyên liệu trứng đã qua xử lý sơ bộ (tách vỏ, phân loại lòng trắng và lòng đỏ riêng biệt) tại các cơ sở chế biến đã gia tăng lên tới hàng nghìn quả mỗi ngày.

Trong thực tế sản xuất, phương thức đập trứng thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng: tiêu tốn nhiều thời gian, năng suất thấp, chi phí nhân công cao và đặc biệt là nguy cơ nhiễm khuẩn chéo sau khi đập vỏ, gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm. Để giải quyết bài toán trên, đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống máy tách vỏ và phân loại lòng đỏ, lòng trắng trứng gà tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của ngành thực phẩm.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo 6 nội dung:

  1. Khảo sát và xác định nhu cầu khách hàng, quy đổi thành các chỉ tiêu kỹ thuật của máy.
  2. Xây dựng các ý tưởng cơ cấu phù hợp từ các thông số ban đầu.
  3. Chọn lọc và đánh giá các ý tưởng thiết kế bằng phương pháp so sánh khoa học.
  4. Tính toán và thiết kế chi tiết các bộ phận, cơ cấu máy.
  5. Xây dựng mô hình mô phỏng nguyên lý hoạt động trên máy tính và kiểm tra điều kiện bền.
  6. Thi công mô hình máy, lập bản vẽ lắp và hệ thống bản vẽ chi tiết chế tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

  • Đối tượng nghiên cứu: Trứng gà thương phẩm có kích thước hình học trung bình dạng bầu dục elip $55 \times 40\text{ mm}$ và hệ thống máy cơ khí tự động thực hiện chức năng cấp phôi, tách vỏ, phân loại lòng trắng - lòng đỏ.
  • Phạm vi không gian định khối của máy: $1500 \times 500 \times 1000\text{ mm}$.
  • Năng suất thiết kế: 16 quả/phút.
  • Tuổi thọ làm việc định mức: 5 năm.
  • Thời gian và đơn vị thực hiện: Tháng 07/2016 tại Bộ môn Thiết kế máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và dữ liệu chuyên ngành

Đồ án vận dụng các khối kiến thức lý thuyết cơ bản và chuyên ngành kỹ thuật cơ khí:

  • Nguyên lý máy và chi tiết máy: Cơ sở tính toán động học và động lực học cơ cấu Man (Geneva mechanism), cơ cấu cam - cần gạt, bộ truyền xích, trục và khớp nối trục.
  • Cơ sở động học cơ cấu Man: Phương pháp phân tích chuyển động quay gián đoạn, phương trình chuyển vị, vận tốc góc và gia tốc góc tương đương với cơ cấu cu-lít.
  • Lý thuyết vật liệu và sinh hóa thực phẩm về trứng gà: Cấu trúc khối lượng gồm lòng đỏ (31,9%), lòng trắng (55,8%), vỏ cứng (11,9%), màng vỏ (0,4%). Cấu tạo vỏ ngoài gồm 90% $\text{CaCO}_3$, 1% $\text{MgCO}_3$, 1% $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$, chứa khoảng 10.000 lỗ thấm khí bề mặt; màng trứng sợi protein-saccarit dày $70\ \mu\text{m}$; lớp tiểu bì protein dày $10 - 30\ \mu\text{m}$; tính chất nhớt khác biệt giữa albumin (lòng trắng) và dịch tương lipoprotein (lòng đỏ).
  • Quy trình công nghệ chế biến bột trứng: Dữ liệu về 3 nhóm sản phẩm bột nguyên trứng (Whole Egg Powder - WEP), bột lòng đỏ (Egg Yolk Powder - EYP) và bột lòng trắng (Egg White Powder - EWP) sấy ở nhiệt độ $180^\circ\text{C}$ trong 5 phút; yêu cầu chất lượng vi sinh (khuẩn hiếm khí $< 5\text{ con/g}$, trực khuẩn đường ruột $< 10\text{ con/g}$) và chỉ tiêu lý hóa (độ ẩm $< 5%$, độ đạm thô WEP $> 40%$, EYP $> 31%$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp phân tích chức năng (Black-box Model): Mô hình hóa hệ thống dựa trên dòng năng lượng, dòng vật liệu và dòng thông tin; phân rã thành các chuỗi chức năng con nối tiếp từ cấp phôi, tách vỏ đến phân loại.
  • Phương pháp đánh giá và lựa chọn giải pháp: Kết hợp so sánh tuyệt đối (tính khả thi kỹ thuật, tính sẵn sàng công nghệ) và so sánh tương đối (ma trận quyết định đối chiếu với hệ tiêu chuẩn yêu cầu khách hàng).
  • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Áp dụng hệ thống công thức hình học và động học tính toán kích thước bánh dẫn, bánh bị dẫn, rãnh Man, hành trình dao cắt và bán kính làm việc của cần gạt.
  • Phương pháp thực nghiệm cơ học: Đo kiểm lực tác dụng cần thiết làm nứt vỏ trứng gà trên máy thử nghiệm, xác định giá trị lực phá hủy tiêu chuẩn $F = 8\text{ lbf} \approx 35,6\text{ N} \approx 3,6\text{ kgf}$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống máy được thiết kế bao gồm 4 cụm cơ cấu chức năng chính vận hành đồng bộ thông qua một động cơ dẫn động trung tâm:

Cụm cơ cấu Nguyên lý thiết kế và kết cấu Thông số kỹ thuật / Kích thước tính toán
Cơ cấu cấp phôi gián đoạn Sử dụng máng nghiêng trọng lực kết hợp con quay có biên dạng vòng lõm và lá quét định vị phương ngang. Dẫn động bởi cơ cấu Man 4 rãnh ăn khớp ngoài. - Khoảng cách tâm $c = 100\text{ mm}$
- Bán kính tay quay dẫn $a = 70,71\text{ mm}$
- Bán kính bánh bị dẫn $b = 70,71\text{ mm}$
- Bề rộng rãnh $w = 9\text{ mm}$
- Chiều dài rãnh $s = 41,42\text{ mm}$
Cơ cấu dẫn động cần gạt Cơ cấu cần gạt tương đương cam dẫn động khâu bị dẫn chuyển động lắc, truyền động qua bộ truyền xích từ trục chính. - Bán kính lớn nhất $R_1 = 20\text{ mm}$
- Bán kính nhỏ nhất $R_2 = 10\text{ mm}$
- Khoảng cách hai tâm $O_1O_2 = 90\text{ mm}$
Cơ cấu kẹp và tách vỏ trứng Cơ cấu đòn bẩy kết hợp 2 dao hình tam giác và mỏ kẹp elip ôm 1/3 quả trứng. Lưỡi dao cắt mớm sâu vào vỏ, sau đó 2 nửa mỏ kẹp mở sang hai bên. - Chiều sâu dao ăn vào vỏ: $5\text{ mm}$
- Lực phá hủy thực nghiệm: $F = 35,6\text{ N}$ ($3,6\text{ kgf}$)
- Dạng tác động lực: Nhanh, tức thời
Máng phân loại lòng đỏ - lòng trắng Máng dẫn nghiêng có bố trí khe rãnh nhỏ ở đáy. Tận dụng độ nhớt của lòng trắng thấp hơn lòng đỏ để dịch lòng trắng chảy qua khe rãnh xuống dưới, lòng đỏ trượt thẳng theo máng. - Phân tách theo nguyên lý trọng lực và độ dẻo nhớt tự nhiên của dịch trứng

Sự phối hợp chuyển động giữa cơ cấu cấp Man và cơ cấu tách vỏ được tính toán theo chu kỳ:

  1. Khi đĩa Man dẫn quay làm bộ phận cấp trứng quay đưa trứng vào vị trí kẹp, cần gạt ở vị trí chờ (cơ cấu tách chưa làm việc).
  2. Khi đĩa Man dừng (chốt ra khỏi rãnh, cung chặn tiếp xúc), cần gạt quay một góc đẩy kẹp di động ép dao tam giác cắt vào vỏ $5\text{ mm}$, sau đó đòn bẩy mở 2 mỏ tách sang hai phía để giải phóng phần lòng trứng rơi xuống máng phân loại.
  3. Chu trình lặp lại liên tục với tỷ số truyền động cơ cấu Man là $1/4$, tương ứng hệ số chuyển động $k = 0,25$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xác định nhu cầu khách hàng

Chương 1 khảo sát bức tranh toàn cảnh về nhu cầu nguyên liệu trứng trong ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam, đặc biệt là các quy chuẩn sản xuất bột trứng sấy phun ở nhiệt độ $180^\circ\text{C}$. Chương này hệ thống hóa các đặc tính sinh hóa, kích thước hình học và cấu trúc 4 thành phần của trứng gà ($55 \times 40\text{ mm}$). Trên cơ sở đó, tác giả tiến hành khảo sát và phân nhóm yêu cầu của 3 đối tượng liên quan:

  • Người tiêu dùng/vận hành: Đòi hỏi máy tự động, tuổi thọ cao, an toàn vệ sinh, ít ồn, vận hành và bảo trì đơn giản.
  • Đơn vị gia công chế tạo: Yêu cầu kết cấu dễ chế tạo, tận dụng trang thiết bị sẵn có và sử dụng chi tiết tiêu chuẩn.
  • Đơn vị phân phối và bảo trì: Cần máy gọn nhẹ, dễ vận chuyển, chi phí đầu tư thấp. Từ các yêu cầu này, tác giả đã chuyển đổi thành bảng thông số kỹ thuật đầu vào phục vụ bài toán thiết kế.

Chương 2: Xây dựng ý tưởng

Chương 2 thực hiện phân tích chức năng tổng thể thông qua mô hình hộp đen và sơ đồ phân rã chức năng con theo trật tự logic: cấp năng lượng $\rightarrow$ cấp nguyên liệu $\rightarrow$ tách vỏ $\rightarrow$ phân loại lòng đỏ $\rightarrow$ phân loại lòng trắng $\rightarrow$ thu hồi sản phẩm và xả vỏ. Tác giả đề xuất các ý tưởng kỹ thuật cho từng cụm:

  • Cấp phôi: Máng nghiêng kết hợp con quay có vòng lõm và lá quét (Ý tưởng 1) so với Phễu chứa rung tự do (Ý tưởng 2).
  • Nguồn động năng: Động cơ điện 1 chiều DC so với Động cơ điện xoay chiều AC.
  • Tách vỏ: Cơ cấu kẹp đòn bẩy mang dao tam giác (Ý tưởng 1) so với Thả rơi tự do trên lưới sàng vỡ vỏ (Ý tưởng 2).
  • Phân loại: Máng dẫn có khe rãnh đáy dựa trên độ nhớt (Ý tưởng 1) so với Hệ thống 3 tầng lưới sàng rung có mật độ mắt lưới tăng dần (Ý tưởng 2).

Chương 3: Đánh giá ý tưởng

Chương 3 xây dựng quy trình đánh giá khoa học dựa trên phương pháp so sánh tuyệt đối (tính khả thi kỹ thuật, tính sẵn sàng công nghệ) và so sánh tương đối (ma trận quyết định). Kết quả đối chiếu hai phương án thiết kế tổng thể được thể hiện qua bảng:

Tiêu chí so sánh Phương án 1 (Con quay + Đòn bẩy dao cắt + Máng rãnh) Phương án 2 (Phễu rung + Thả rơi va đập + Sàng rung 3 tầng)
Cấp phôi vào máy Định vị chính xác theo chu kỳ, lá quét chống xếp chồng, không gây vỡ trứng. Trứng đè lên nhau trong phễu dễ vỡ; nguy cơ tắc nghẽn cao tại cửa ra.
Khả năng tách vỏ Dao cắt cục bộ $5\text{ mm}$, kiểm soát được đường nứt, không tạo mảnh vụn rơi vào dịch trứng. Vỡ ngẫu nhiên do va đập, tạo nhiều mảnh vỏ vụn lẫn vào lòng trứng, dễ làm vỡ lòng đỏ.
Hiệu quả phân loại Phân tách ổn định theo độ nhớt, không làm rách màng lòng đỏ. Lực rung làm vỡ lòng đỏ trộn lẫn với lòng trắng; dịch dẻo gây bít tắc mắt lưới sàng.
Vệ sinh thực phẩm Dễ cọ rửa, dịch trứng không bám dính vào các cụm chuyển động. Khó làm sạch dịch trứng kết dính trên bề mặt nhiều tầng lưới sàng.
Kết luận đánh giá Được lựa chọn để thiết kế chi tiết (tính khả thi cao). Bị loại bỏ do hiệu quả thực tế thấp và nhiều nhược điểm.

Chương 4: Tính toán và thiết kế các bộ phận chi tiết máy

Chương 4 tập trung tính toán giải tích và thiết kế cơ khí cho toàn bộ các cụm chi tiết đã lựa chọn:

  • Tính toán cơ cấu Man: Xác định số rãnh $n=4$, số chốt $p=1$, khoảng cách trục $c=100\text{ mm}$. Tính toán hình học chi tiết: bán kính tay quay $a=70,71\text{ mm}$, bán kính ngoài bánh bị dẫn $b=70,71\text{ mm}$, chiều dài rãnh $s=41,42\text{ mm}$, bề rộng rãnh $w=9\text{ mm}$, bán kính cung chặn $y=58,71\text{ mm}$, bán kính đĩa chặn $z=57,71\text{ mm}$, bán kính khuyết $v=57,71\text{ mm}$. Thiết lập phương trình động học vận tốc và gia tốc góc của đĩa Man bị dẫn khi đĩa dẫn quay đều ($\omega_1 = \text{const}$).
  • Thiết kế cơ cấu tách vỏ: Thiết lập hình học mỏ tách elip định vị $1/3$ quả trứng; tính toán lưỡi dao tam giác cắt mớm $5\text{ mm}$; xác định lực bấm vỏ thực nghiệm $F = 35,6\text{ N}$.
  • Thiết kế cần gạt: Xác định các kích thước $R_1=20\text{ mm}$, $R_2=10\text{ mm}$, khoảng cách tâm $O_1O_2=90\text{ mm}$; phân tích lực đẩy $P$, phản lực pháp tuyến $N$ và lực ma sát $F_{ms}$.
  • Thiết kế máng phân loại: Định hình máng chảy nghiêng với rãnh thoát dịch lòng trắng phía dưới đáy dựa trên sự sai khác về hệ số nhớt giữa albumin và noãn hoàng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Hoàn thành bộ hồ sơ tính toán, thiết kế hệ thống máy tách vỏ và phân loại lòng đỏ, lòng trắng trứng gà tự động với đầy đủ thông số động học và hình học của các cơ cấu chính.
  • Thiết lập hoàn chỉnh chuỗi kích thước của cơ cấu Man 4 rãnh với khoảng cách tâm $100\text{ mm}$ và hệ số chuyển động $k = 0,25$, đảm bảo chu kỳ dừng cấp phôi đồng bộ với hành trình cắt tách vỏ.
  • Xác định chính xác giá trị lực thực nghiệm phá vỡ vỏ trứng gà ($35,6\text{ N}$) phục vụ việc chọn lực ép cho cần gạt và lưỡi dao.
  • Chế tạo và lắp ráp thành công mô hình thử nghiệm hoạt động theo các thông số thiết kế định mức: kích thước $1500 \times 500 \times 1000\text{ mm}$, năng suất 16 quả/phút.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Giải pháp cấp phôi kết hợp máng nghiêng, con quay lõm và lá quét định vị phương ngang giúp loại bỏ hiện tượng trứng bị kẹt hoặc rơi tự do không kiểm soát.
  • Giải pháp đòn bẩy mang dao tam giác cắt mớm $5\text{ mm}$ định hướng vết nứt kết hợp mở vỏ sang hai bên giúp tách rời vỏ sạch sẽ mà không làm vỡ vụn vỏ cứng hay rách màng lòng đỏ.
  • Giải pháp phân tách lòng đỏ và lòng trắng bằng máng dẫn có khe rãnh đáy tận dụng chênh lệch độ nhớt tự nhiên, thay thế cơ cấu sàng rung phức tạp và dễ gây tắc nghẽn.

Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn

  • Hệ thống hóa phương pháp luận thiết kế máy cơ khí ngành thực phẩm từ phân tích nhu cầu, phân rã chức năng đến tính toán chi tiết máy.
  • Cung cấp mô hình tính toán động học và hình học hoàn chỉnh cho cơ cấu biến đổi chuyển động gián đoạn (Man) ứng dụng trong máy chế biến nông sản cỡ vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Các thông số hình học của cụm kẹp và dao cắt được tính toán cố định theo kích thước trứng trung bình ($55 \times 40\text{ mm}$), chưa có cơ cấu tự động bù sai lệch khi gặp những quả trứng có kích thước quá lớn hoặc quá nhỏ.
  • Cơ cấu cần gạt làm việc theo dạng tiếp xúc điểm/đường, dẫn đến hao mòn bề mặt cục bộ sau thời gian vận hành dài và đòi hỏi yêu cầu cao về độ cứng bề mặt vật liệu.
  • Hệ thống chưa tích hợp bộ biến tần hoặc mạch điều khiển điện tử để thay đổi linh hoạt dải năng suất làm việc.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thiết kế bổ sung cơ cấu đàn hồi hoặc cảm biến đo kích thước phôi để tự động điều chỉnh độ sâu ăn dao theo kích thước thực tế của từng quả trứng.
  • Tối ưu hóa biên dạng cam và cần gạt, nghiên cứu xử lý nhiệt luyện bề mặt tiếp xúc nhằm giảm mài mòn và kéo dài tuổi thọ chi tiết.
  • Nâng cấp hệ thống điều khiển tự động hóa (PLC/vi điều khiển) và kiểm nghiệm vi sinh toàn diện chất lượng dịch trứng sau chế biến.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Thiết kế máy: Tham khảo quy trình thiết kế máy hoàn chỉnh, phương pháp phân tích chức năng hộp đen, ma trận đánh giá ý tưởng và toàn bộ các bước tính toán động học, hình học cơ cấu Man.
  • Kỹ sư thiết kế máy thực phẩm: Ứng dụng số liệu thực nghiệm về lực phá hủy vỏ trứng ($35,6\text{ N}$), kích thước dao cắt ($5\text{ mm}$) và nguyên lý tách dịch trứng theo độ nhớt vào các dây chuyền chế biến tự động.
  • Các cơ sở sản xuất bánh kẹo, bột trứng quy mô vừa và nhỏ: Tham khảo phương án công nghệ cơ khí đơn giản, chi phí thấp nhằm thay thế phương pháp đập trứng thủ công.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số làm việc và kích thước ban đầu của máy được quy định như thế nào?
Máy được thiết kế trong không gian định khối $1500 \times 500 \times 1000\text{ mm}$, xử lý trứng gà có kích thước trung bình $55 \times 40\text{ mm}$, năng suất thiết kế đạt 16 trứng/phút và tuổi thọ tính toán là 5 năm.

2. Vì sao tác giả lựa chọn cơ cấu Man 4 rãnh - 1 chốt cho bộ phận cấp phôi?
Cơ cấu Man có khả năng biến chuyển động quay liên tục từ động cơ thành chuyển động quay gián đoạn chính xác. Với 4 rãnh và 1 chốt, hệ số chuyển động là $k = 0,25$ (thời gian chuyển động bằng $1/4$ thời gian dừng), tạo khoảng thời gian dừng cố định cần thiết để cơ cấu tách vỏ thực hiện thao tác cắt và mở vỏ trứng.

3. Cơ cấu Man có những thông số hình học tính toán cụ thể nào?
Với khoảng cách 2 tâm $c = 100\text{ mm}$, đường kính chốt $p = 8\text{ mm}$, khe hở $t = 1\text{ mm}$, các thông số tính được gồm: bán kính tay quay dẫn $a = 70,71\text{ mm}$, bán kính ngoài bánh bị dẫn $b = 70,71\text{ mm}$, chiều dài rãnh $s = 41,42\text{ mm}$, bề rộng rãnh $w = 9\text{ mm}$, bán kính cung chặn $y = 58,71\text{ mm}$, bán kính đĩa chặn $z = 57,71\text{ mm}$ và bán kính khuyết $v = 57,71\text{ mm}$.

4. Lực phá vỡ vỏ trứng và chiều sâu tác động của dao được xác định là bao nhiêu?
Qua thực nghiệm trên máy thử lực, lực phá hủy làm nứt vỏ trứng gà được xác định là $F = 8\text{ lbf} = 35,6\text{ N} = 3,6\text{ kgf}$. Lưỡi dao tam giác được thiết kế ăn sâu mớm vào vỏ trứng một đoạn $5\text{ mm}$ trước khi mỏ kẹp đòn bẩy mở sang hai bên.

5. Vì sao phương án đập trứng bằng lưới sàng va đập (Phương án 2) bị loại bỏ?
Phương án 2 thả trứng rơi tự do làm trứng vỡ ngẫu nhiên, tạo nhiều mảnh vụn vỏ lẫn vào dịch trứng, đồng thời lực va đập và sàng rung làm vỡ màng lòng đỏ khiến lòng đỏ hòa lẫn vào lòng trắng, dịch trứng dẻo gây tắc nghẽn mắt lưới sàng và không đảm bảo vệ sinh thực phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán, thiết kế máy tách vỏ và phân loại lòng đỏ, lòng trắng trứng gà" đã giải quyết bài toán tự động hóa sơ chế trứng trong ngành công nghiệp thực phẩm thông qua giải pháp kết hợp cơ cấu Man 4 rãnh, cơ cấu kẹp tách vỏ đòn bẩy và máng phân loại theo độ nhớt. Toàn bộ các thông số động học, động lực học và kích thước hình học của hệ thống đã được tính toán giải tích dựa trên số liệu thực nghiệm lực nứt vỏ trứng $35,6\text{ N}$. Công trình cung cấp một tài liệu thiết kế cơ khí hoàn chỉnh, có tính ứng dụng thực tế cao cho các cơ sở chế biến thực phẩm và là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên ngành chế tạo máy.