Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành chăn nuôi tại Việt Nam sở hữu tiềm năng phát triển lớn với tổng đàn gia súc, gia cầm đứng thứ hai khu vực châu Á và nằm trong nhóm mười quốc gia hàng đầu thế giới. Theo số liệu của Tổng cục Hải quan được tác giả trích dẫn trong văn bản, năm 2015, kim ngạch xuất khẩu thịt của Việt Nam đạt 21 triệu USD (giảm 2,4% so với cùng kỳ năm 2013), trong khi kim ngạch nhập khẩu thịt lên đến 194 triệu USD, gấp hơn 9 lần kim ngạch xuất khẩu. Nguồn nguyên liệu thịt tại Việt Nam đa dạng, song khâu chế biến và bảo quản sau giết mổ vẫn còn nhiều hạn chế, dẫn đến tình trạng khủng hoảng thừa cục bộ và phụ thuộc vào thịt nhập khẩu từ các thị trường như Úc, Hàn Quốc, Brazil, Pháp, Nga và Liên minh châu Âu.

Nhóm sản phẩm Đơn vị tính Năm 2010 Năm 2011 Năm 2012 Năm 2013
Thịt hơi các loại 1.000 tấn 4.036,6 — — —
Thịt lợn 1.000 tấn 3.036,0 3.200,0 3.160,0 3.217,6
Thịt gia cầm 1.000 tấn 621,0 708,0 729,0 747,1
Thịt trâu, bò 1.000 tấn 363,0 406,0 382,0 370,1
Thịt dê, cừu 1.000 tấn 16,84 — — —

Trong quy trình sản xuất các mặt hàng thực phẩm chế biến từ thịt như thịt hộp, thịt khô, chả, nem, công đoạn phân chia tảng thịt thành các khối nhỏ (cắt hạt lựu) chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thủ công hoặc bán tự động. Thao tác thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề người lao động, năng suất thấp, tốn nhiều thời gian, chi phí nhân công cao và không đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn lao động cũng như vệ sinh an toàn thực phẩm. Xuất phát từ thực tế này, đề tài tập trung giải quyết bài toán cơ khí hóa khâu phân chia nguyên liệu thịt.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm hai nội dung:

  1. Đề xuất nguyên lý cắt thịt và kết cấu máy cắt thịt.
  2. Chế tạo thử nghiệm máy cắt thịt công suất nhỏ phục vụ hộ gia đình và cơ sở chế biến quy mô vừa.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành bảy nội dung cụ thể:

  1. Phân tích sản phẩm, thiết kế nguyên lý cho máy (thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ kết cấu của máy).
  2. Tính toán các cụm máy, các bộ truyền động và kiểm nghiệm bền cho các chi tiết trong máy.
  3. Xây dựng bản vẽ khổ A1 thể hiện nguyên lý hoạt động của máy.
  4. Xây dựng bản vẽ lắp tổng thể máy khổ A0.
  5. Xây dựng các bản vẽ lắp cụm khổ A0 hoặc A1.
  6. Xây dựng tập bản vẽ chi tiết khổ A3.
  7. Thi công, lắp ráp và điều chỉnh máy trong thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là thịt từ các khu chăn nuôi gia súc tại Việt Nam và các cơ cấu máy cắt thực phẩm hiện hành trong và ngoài nước. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc cắt thịt mỡ dạng khối vuông hoặc chữ nhật, yêu cầu năng suất thiết kế từ 100 đến 150 kg/giờ, thực hiện thiết kế, gia công mô hình thử nghiệm và kiểm nghiệm các thông số làm việc cơ bản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nghiên cứu cơ học cắt gọt vật liệu thực phẩm bằng lưỡi dao phẳng hoặc nêm không gian. Tác giả vận dụng các mô hình và luận điểm vật lý cơ bản:

  • Nghiên cứu của Viện sĩ Gơriatskin V.P. về cơ sở vật lý cắt thái bằng cạnh sắc lưỡi dao. Cạnh sắc lưỡi dao thực chất có dạng răng cưa tế vi do cấu trúc tinh thể kim loại hoặc rãnh khuôn đúc để lại. Độ sắc của dao được đặc trưng bởi chiều dày lưỡi $s$ ($20 \div 40\ \mu\text{m}$, không vượt quá $100\ \mu\text{m}$ để tránh cùn). Cắt trượt (cắt nghiêng với vận tốc tiếp tuyến $v_t \neq 0$) giúp phát huy tác dụng cưa đứt, biến ứng suất nén thành ứng suất kéo có giá trị nhỏ hơn nhiều, làm giảm lực cắt so với cắt pháp tuyến (chặt bổ với $v_t = 0$). Quan hệ giữa lực cắt $N$ và độ dịch chuyển dao $S$ tuân theo phương trình: $S = A \cdot e^{-N}$ hoặc $N^3 \cdot S = \text{const}$.
  • Phân tích động lực học tiếp xúc của Viện sĩ Giưligôpski V.A.: Thiết lập hệ lực tương tác gồm lực pháp tuyến $N$, lực tiếp tuyến $T$, lực ma sát $F$ và lực tổng hợp $R$. Hiện tượng trượt tương đối giữa dao và thịt chỉ xảy ra khi góc trượt $\tau$ lớn hơn góc cắt trượt $\tau'$ ($\tau' \approx 25^\circ \div 45^\circ$, tương ứng hệ số cắt trượt $f' = \tan \tau' \approx 0,8 \div 1,0$).
  • Nghiên cứu của Viện sĩ Ziablôv V.: Lực cắt thịt giảm rõ rệt khi góc trượt $\tau \ge 30^\circ$.
  • Nghiên cứu của Reznik N. (1975): Ảnh hưởng của góc mài dao $\beta$ ($\beta = 18^\circ \div 25^\circ$) đến lực cắt tới hạn qua công thức $Q_{th} = P_t + c \cot \beta$; công thức thực nghiệm lực cản cắt theo vận tốc dao $P_t = 75 v^{2,6} + 40$; xác định dải vận tốc cắt tối ưu đạt $35 \div 40\ \text{m/s}$; quan hệ lực cắt trung bình $P_{ct} = (0,4 \div 0,8) P_{th}$ và lực nén $P_n = (0,2 \div 0,6) P_{th}$.
  • Khái niệm công riêng $A_r$ và năng lượng cắt: $A_r = q (1 + f' \tan \tau)$, trong đó $q = Q/S$ là áp suất riêng trên cạnh sắc dao, $(1 + f' \tan \tau)$ là hệ số đặc tính dao cắt.
  • Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu $W%$: Khi độ ẩm ở mức $8 \div 15%$, áp suất cắt riêng $q$ tăng; khi $W > 15%$, áp suất cắt riêng có xu hướng giảm.
  • Dẫn liệu vệ sinh dịch tễ của Menyn: Ở nhiệt độ $14 \div 18^\circ\text{C}$, vi khuẩn Escherichia coli có thể xâm nhập sâu $4 \div 5\ \text{cm}$ vào cấu trúc sợi thịt.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Thu thập, tổng hợp các tài liệu chuyên ngành cơ khí chế tạo máy, máy chế biến thực phẩm, lý thuyết cắt gọt nông sản từ sách, tạp chí và internet.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, tính toán kết cấu, gia công chi tiết cơ khí, lắp ráp mô hình thực nghiệm và vận hành thử nghiệm kiểm tra tính khả thi.

Nguồn dữ liệu sử dụng gồm số liệu xuất nhập khẩu và sản lượng chăn nuôi giai đoạn 2010–2015 của Tổng cục Hải quan, Cục Chăn nuôi, kết hợp cùng các công thức tính toán tiêu chuẩn cơ khí theo TCVN 3210-79.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án đề xuất giải pháp công nghệ kết hợp hai giai đoạn cắt liên tục nhằm định hình sản phẩm thịt dạng hạt lựu:

  • Cụm cấp liệu: Băng tải phẳng đặt nằm ngang thực hiện chuyển động đưa phôi thịt tiến vào buồng cắt với vận tốc cấp liệu $v_n$.
  • Cụm cắt tạo dải sợi: Lưỡi dao hình lưỡi liềm chuyển động quay quanh trục, phối hợp cùng thớt chặt cố định để cắt đứt khối thịt thành các dải sợi song song theo phương dọc.
  • Cụm cắt tạo khối lập phương (hạt lựu): Các dải sợi thịt rơi xuống thớt dẫn hướng và lập tức đi qua cụm dao đĩa tròn đặt vuông góc với hướng nạp phôi. Dao đĩa quay với tốc độ cao thực hiện chia cắt các dải sợi thành các mẫu hình lập phương có kích thước xác định.

Hệ thống động lực và các thông số thiết kế được tính toán cụ thể:

Thông số thiết kế Giá trị tính toán / lựa chọn Đơn vị
Năng suất thiết bị ($Q$) 150 kg/h
Vận tốc vòng cụm dao đĩa ($v_t$) $30 \div 40$ m/s
Tỷ số truyền vận tốc vòng và vận tốc liệu ($v_t / v_n$) $20 \div 30$ —
Công suất tính toán của động cơ ($N$) 0,78 kW
Số vòng quay trục động cơ điện ($n$) 1.450 vòng/phút
Loại đai truyền động Đai thang tiêu chuẩn loại A —
Kích thước tiết diện đai A ($b \times b_t \times h$) $13 \times 11 \times 8$ mm
Diện tích tiết diện đai ($A_1$) 81 mm²
Đường kính bánh đai nhỏ chủ động ($d_1$) 100 mm
Góc rãnh bánh đai thang ($\gamma$) $34 \div 40$ độ

Quá trình gia công, lắp ráp và chạy thử mô hình máy được thực hiện tại xưởng thực hành cơ khí. Khung máy, hệ thống gối đỡ, trục dao và cơ cấu truyền động được liên kết thành khối hoàn chỉnh để kiểm tra sự phối hợp chuyển động giữa cơ cấu cấp phôi và hai cụm dao cắt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của việc cơ giới hóa khâu chế biến thịt tại Việt Nam trong bối cảnh chăn nuôi phát triển nhưng thâm hụt cán cân thương mại thịt còn lớn (nhập siêu 194 triệu USD so với xuất siêu 21 triệu USD năm 2015). Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo máy cắt năng suất nhỏ, phân định đối tượng nghiên cứu là thiết bị cắt thịt và phạm vi cắt thịt mỡ hạt lựu năng suất $100 \div 150\ \text{kg/h}$. Đồ án trình bày cơ sở phương pháp luận và cấu trúc văn bản gồm 7 chương.

Chương 2: Tổng quan về quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm

Chương 2 tổng kết các yêu cầu kỹ thuật và vệ sinh thú y trước và sau khi giết mổ gia súc: cho vật nuôi nghỉ ngơi, ngừng ăn 24 giờ và ngừng uống nước 12 giờ trước giết mổ để tránh rách dạ dày. Tác giả phân tích các biến đổi sinh hóa trong quá trình ướp lạnh (chín tới ở $0 \div 2^\circ\text{C}$ sau $2 \div 3$ ngày giúp tích lũy acid glutamic, inosine) và ướp đông (làm lạnh nhanh ở $-25^\circ\text{C}$ giảm mất nước $20%$ và giảm tổn thất protein $15 \div 20%$, tinh thể đá nhỏ). Văn bản cũng phân loại các dạng hư hỏng của thịt: thịt ôi do men tự hủy sinh khí $\text{H}_2\text{S}$, thịt chua do lên men acid (pH $5,4 \div 5,6$), thịt thối do vi khuẩn phân giải protein (Achromobacterium, Pseudomonas) và thịt mốc do nấm (Penicillium, Mucor, Aspergillus).

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 3 tập trung phân tích bản chất cơ học của quá trình cắt thái nguyên liệu thịt. Bằng thực nghiệm cân Robecval của Gơriatskin, tác giả chứng minh khi tăng độ dịch chuyển trượt $S$, lực cắt cần thiết $N$ giảm từ 600 g xuống 100 g. Tác giả phân tích chi tiết điều kiện xuất hiện hiện tượng cắt trượt theo mô hình Giưligôpski khi góc trượt $\tau > \tau'$, giúp lưỡi dao phát huy tác dụng cưa đứt thay vì nén ép thuần túy. Chương này cũng dẫn giải các công thức xác định góc mài biến đổi $\beta'$, hệ số biến đổi động học $K_{bđ}$, công suất cắt tức thời, công riêng $A_r$ và phương pháp đo năng lượng cắt bằng con lắc va đập.

Chương 4: Các phương pháp cắt thịt

Chương này rà soát các loại dao cắt thực phẩm (dao đĩa răng, đĩa nhẵn, dao hình côn, dao hình lưỡi liềm, dao dạng bản, cưa băng, dao xoắn ốc) và các sơ đồ bố trí máy cắt theo mặt phẳng song song, mặt phẳng cong hoặc chia miếng định hình. Trên cơ sở so sánh ưu nhược điểm, tác giả đề xuất nguyên lý làm việc của máy cắt thịt hạt lựu: phôi thịt đặt trên băng tải đi vào thớt chặt, dao lưỡi liềm quay chặt phôi thành sợi, sau đó các sợi thịt rơi xuống thớt dẫn và đi qua cụm dao đĩa tròn để cắt ngang thành dạng hạt lựu.

Chương 5: Tính toán thiết kế máy cắt thịt hạt lựu

Chương 5 trình bày toàn bộ quá trình tính toán động học và động lực học của máy. Xuất phát từ năng suất thiết kế $Q = 150\ \text{kg/h}$ và bề mặt mới tạo thành $F_r$, tác giả tính toán công suất động cơ cần thiết là $0,78\ \text{kW}$ và chọn động cơ điện tiêu chuẩn có tốc độ vòng quay $n = 1.450\ \text{vòng/phút}$. Tiếp đó, tác giả tính toán chọn bộ truyền đai thang thường loại A với các thông số: $b = 13\ \text{mm}$, $b_t = 11\ \text{mm}$, $h = 8\ \text{mm}$, $A_1 = 81\ \text{mm}^2$, đường kính bánh đai nhỏ $d_1 = 100\ \text{mm}$, đồng thời xác định các yêu cầu tiêu chuẩn đối với bánh đai và góc rãnh $\gamma = 34^\circ \div 40^\circ$.

Chương 6: Chế tạo thử nghiệm

Chương này ghi nhận quá trình thi công cơ khí thực tế, gia công các chi tiết trục, khung vỏ, bộ phận gá lắp dao và cụm truyền động. Sau khi lắp ráp hoàn thiện, nhóm tác giả tiến hành chạy thử nghiệm cắt thịt nhằm đánh giá khả năng vận hành của cơ cấu cắt kết hợp giữa dao lưỡi liềm và dao đĩa.

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Tác giả tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành: làm rõ cơ sở lý thuyết cắt thái, đề xuất nguyên lý cơ cấu kết hợp hai tầng dao, hoàn thành tính toán động lực học, chọn động cơ $0,78\ \text{kW}$ và chế tạo thành công mô hình thử nghiệm. Đồng thời, tác giả nêu các kiến nghị tiếp tục nghiên cứu cải tiến kết cấu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập cơ sở tính toán lý thuyết cho quá trình cắt gọt thực phẩm dẻo đàn hồi, chứng minh hiệu quả giảm lực cản cắt khi vận hành dao ở chế độ cắt trượt ($\tau > \tau'$).
  • Đề xuất được nguyên lý kết cấu phối hợp liên hoàn: băng tải cấp liệu $\rightarrow$ dao lưỡi liềm cắt sợi $\rightarrow$ cụm dao đĩa cắt hạt lựu, cho phép tạo hình hạt lựu liên tục không qua trung gian.
  • Hoàn thành tính toán động lực học máy cắt thịt năng suất $150\ \text{kg/h}$, xác định công suất động cơ $0,78\ \text{kW}$ ($n = 1.450\ \text{v/ph}$) và thiết kế bộ truyền đai thang loại A với bánh đai nhỏ đường kính $100\ \text{mm}$.
  • Chế tạo hoàn chỉnh một mô hình máy thử nghiệm thực tế tại xưởng nhằm minh chứng cho tính khả thi của nguyên lý đã đề xuất.

Về mặt đóng góp, công trình đã hệ thống hóa các lý thuyết cơ học cắt thái của các nhà khoa học Liên Xô (Gơriatskin, Giưligôpski, Reznik) và chuyển hóa thành quy trình tính toán kỹ thuật cụ thể cho một máy chế biến thực phẩm cỡ nhỏ phù hợp điều kiện sản xuất trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận trong văn bản gồm:

  • Thiết kế ở một số khâu chưa đạt mức tối ưu hóa cao.
  • Mô hình chế tạo thử nghiệm chưa tối ưu về mặt lựa chọn vật liệu và độ chính xác gia công cơ khí do nhóm sinh viên còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế, kinh phí đầu tư và thời gian thực hiện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Cải tiến thiết kế và hoàn thiện quy trình chế tạo nhằm đạt sự hài hòa giữa yếu tố kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.
  • Tiến hành khảo sát, thăm dò nhu cầu thị trường để hoàn thiện thiết bị theo hướng thương mại hóa, phục vụ các cơ sở chế biến thực phẩm vừa và nhỏ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy, Cơ kỹ thuật và Máy chế biến thực phẩm khi làm đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến máy cắt thái nông sản, thực phẩm.
  • Kỹ sư cơ khí thiết kế thiết bị thực phẩm cần tham khảo cơ sở lý thuyết động lực học cắt trượt (Chương 3) và quy trình tính toán công suất cắt, chọn bộ truyền đai cho máy chế biến (Chương 5).
  • Các cơ sở cơ khí vừa và nhỏ có định hướng phát triển các dòng máy cắt thịt mỡ, cắt lạp xưởng quy mô hộ gia đình.

Câu hỏi thường gặp

1. Mục tiêu năng suất và yêu cầu kích thước sản phẩm đầu ra của máy cắt thịt hạt lựu trong đồ án là bao nhiêu?

Thiết bị được thiết kế với năng suất từ 100 đến 150 kg/giờ, chuyên dùng để cắt thịt mỡ thành các khối hình lập phương hoặc hình hộp chữ nhật (dạng hạt lựu) nhằm phục vụ các công đoạn chế biến thực phẩm.

2. Hiện tượng cắt trượt giúp giảm lực cản cắt thịt như thế nào theo lý thuyết của Gơriatskin và Giưligôpski?

Dưới kính hiển vi, cạnh sắc dao có dạng răng cưa nhỏ. Khi cắt trượt (có vận tốc tiếp tuyến $v_t \neq 0$ và góc trượt $\tau > \tau'$), dao phát huy tác dụng cưa đứt vật liệu. Quá trình này giúp thay thế phần lớn ứng suất nén (vốn đòi hỏi lực lớn trong cắt bổ trực giao) bằng ứng suất kéo dọc theo thớ thịt (ứng suất kéo của thịt nhỏ hơn nhiều so với ứng suất nén), đồng thời làm giảm chiều rộng lát cắt thực tế, từ đó giảm đáng kể tổng lực cản cắt.

3. Nguyên lý kết hợp giữa các bộ phận cắt trong máy để tạo ra hình dạng hạt lựu hoạt động ra sao?

Thịt được cấp cưỡng bức trên băng tải nằm ngang đến thớt chặt. Tại đây, dao hình lưỡi liềm chuyển động quay tròn phối hợp với thớt chặt để chia khối thịt thành các dải sợi dài. Các dải sợi này lập tức rơi xuống thớt dẫn và đi qua cụm dao đĩa tròn quay với tốc độ cao để cắt ngang dải sợi thành các mẫu thịt hình hạt lựu.

4. Động cơ điện và bộ truyền đai dẫn động được tính toán lựa chọn với các thông số nào?

Đồ án tính toán công suất động cơ cần thiết là 0,78 kW và chọn động cơ điện có số vòng quay định mức 1.450 vòng/phút. Bộ truyền sử dụng đai thang thường loại A có kích thước tiết diện $b = 13\ \text{mm}$, $b_t = 11\ \text{mm}$, $h = 8\ \text{mm}$, diện tích tiết diện $81\ \text{mm}^2$ và đường kính bánh đai nhỏ chủ động $d_1 = 100\ \text{mm}$.

5. Tác giả đã chỉ ra những hạn chế chính nào trên mô hình máy chế tạo thử nghiệm?

Mô hình thực nghiệm chưa đạt mức tối ưu về lựa chọn vật liệu và độ chính xác gia công các chi tiết cơ khí; một số cụm kết cấu trong sơ đồ thiết kế chưa được tối ưu hóa do hạn chế về kinh nghiệm thực tế của người thực hiện, nguồn kinh phí và quỹ thời gian nghiên cứu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, đề xuất nguyên lý và thiết kế thiết bị cắt thịt hạt lựu" đã giải quyết bài toán cơ khí hóa khâu phân chia nguyên liệu thịt năng suất 150 kg/h thông qua cơ cấu phối hợp dao lưỡi liềm và dao đĩa. Công trình hoàn thành đầy đủ các nội dung từ khảo cứu lý thuyết cắt thái, tính toán chọn động cơ 0,78 kW, thiết kế bộ truyền đai đến chế tạo mô hình thực nghiệm kiểm chứng. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật rõ ràng cho việc thiết kế, cải tiến các dòng máy chế biến thực phẩm quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam.