I. Tổng quan quy trình tính toán thiết kế máy nhào kẹo
Công nghệ sản xuất bánh kẹo hiện đại đòi hỏi sự chuẩn xác cao trong từng công đoạn chế biến. Giai đoạn nhào kẹo đóng vai trò quyết định đến độ xốp, độ dai và cấu trúc thành phẩm. Việc tính toán thiết kế máy nhào kẹo nhằm thay thế phương pháp thủ công, nâng cao năng suất và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Khối kẹo sau khi nấu có độ nhớt và nhiệt độ cao, đòi hỏi thiết bị phải chịu lực tốt và làm việc liên tục. Các dòng máy hiện nay như máy xoay DK-45, máy nhào đứng KN80 hay model HAITEL HTL-TR600 đều sở hữu cơ cấu phức tạp. Việc tự chủ thiết kế giúp các doanh nghiệp trong nước tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Đồ án tập trung nghiên cứu quy trình công nghệ kẹo mềm, kẹo cứng nhân quả và kẹo dẻo Marshmallow. Quá trình nhào trộn liên tục đẩy không khí vào bên trong khối kẹo, tạo cấu trúc xốp mịn đồng nhất. Hệ thống cơ khí được tính toán kỹ lưỡng nhằm tối ưu hóa kích thước, giảm tiêu hao năng lượng và dễ dàng bảo trì trong môi trường sản xuất công nghiệp thực tế.
1.1. Tầm quan trọng của công đoạn nhào trong sản xuất kẹo
Nhào kẹo là khâu kỹ thuật trọng yếu trong dây chuyền chế biến bánh kẹo. Khi khối kẹo được kéo gập liên tục, các bọt khí siêu nhỏ phân tán đều khắp thể tích. Quá trình này làm thay đổi độ trong suốt, giúp kẹo chuyển sang màu sáng đục đặc trưng. Cấu trúc tinh thể đường được kiểm soát chặt chẽ, ngăn ngừa hiện tượng lại đường gây cứng sản phẩm. Đồng thời, hương liệu và chất tạo màu được hòa trộn đồng nhất trong từng phân tử đường. Nhiệt độ của khối kẹo cũng giảm dần về mức định hình thích hợp cho công đoạn tạo hình tiếp theo. Thiết kế máy móc chuẩn xác giúp duy trì lực nhào ổn định, loại bỏ hoàn toàn các sai sót do thao tác thủ công gây ra.
1.2. Đánh giá các dòng máy nhào kẹo công nghiệp phổ biến
Thị trường chế tạo máy hiện có nhiều mẫu thiết bị nhào kẹo với nguyên lý làm việc khác nhau. Máy nhào xoay DK-45 vận hành mạnh mẽ nhưng chiếm diện tích xưởng lớn và tiêu thụ nhiều điện năng. Dòng máy KN80 sở hữu cánh khuấy đảo chiều linh hoạt, thích hợp với các mẻ kẹo mềm thể tích trung bình. Thiết bị HTL-TR600 từ hãng HAITEL ứng dụng công nghệ hiện đại, cho năng suất vượt trội nhưng giá thành nhập khẩu rất cao. Các dòng máy nhập ngoại gây khó khăn khi cần thay thế linh kiện chuyên dụng. Việc nghiên cứu thiết kế máy nhào kẹo nội địa với kết cấu gọn nhẹ, vận hành tin cậy và chi phí hợp lý mang lại giá trị thực tiễn rất lớn cho ngành chế tạo máy.
II. Phân tích nguyên lý và kết cấu cụm máy nhào kẹo công nghiệp
Việc lựa chọn phương án truyền động và cơ cấu chấp hành quyết định trực tiếp đến độ bền của máy nhào kẹo. Khối kẹo nóng dẻo tạo ra lực cản uốn và ma sát rất lớn trong suốt chu kỳ nhào ép. Đề tài tiến hành phân tích bốn phương án cơ cấu ép gồm: ba xy lanh khí nén, cơ cấu tay quay con trượt, trục nhào hình sao và bốn xy lanh thủy lực. Cơ cấu tay quay con trượt có kết cấu cơ khí phức tạp, khó điều chỉnh hành trình và dễ gây rung lắc mạnh. Trục nhào hình sao phân bố lực không đều và khó vệ sinh các khe hở tiếp xúc thực phẩm. Hệ thống thủy lực cho lực ép rất lớn nhưng tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ dầu nhớt gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm. Ngược lại, hệ thống ba xy lanh khí nén vận hành sạch sẽ, phản hồi nhanh và dễ điều khiển tự động. Phương án kết hợp khí nén và bàn xoay gián đoạn được lựa chọn làm giải pháp tối ưu. Kết cấu này vừa đảm bảo lực ép đồng đều, vừa duy trì độ sạch tuyệt đối cho thành phẩm kẹo.
2.1. So sánh các phương án cơ cấu ép kẹp trong máy nhào
Mỗi cơ cấu tạo lực ép kẹo đều sở hữu những ưu điểm và hạn chế riêng biệt về mặt động học. Cơ cấu tay quay con trượt có độ cứng vững cao nhưng cồng kềnh và khó thay đổi chu kỳ làm việc. Trục nhào hình sao liên tục đảo trộn nhưng tạo ứng suất cắt không đều lên các phần tử kẹo. Xy lanh thủy lực tạo áp lực ép cực mạnh, song chi phí bộ nguồn đắt đỏ và nguy cơ rò rỉ dầu cao. Hệ thống ba xy lanh khí nén sử dụng khí nén sạch công nghiệp, triệt tiêu nguy cơ nhiễm bẩn thực phẩm. Vận tốc tịnh tiến của xy lanh khí nén dễ dàng điều chỉnh thông qua van tiết lưu một chiều.
2.2. Phân tích nguyên lý truyền động gián đoạn của bàn xoay
Bàn xoay mang khuôn kẹo cần chuyển động gián đoạn chính xác theo từng góc 90 độ tương ứng với một chu kỳ ép. Việc dừng đúng vị trí giúp các đầu chày ép tịnh tiến chính xác vào tâm khối kẹo mà không gây kẹt cơ khí. Cơ cấu Man được lựa chọn để biến chuyển động quay liên tục từ động cơ giảm tốc thành chuyển động quay ngắt quãng. Cấu tạo cơ cấu gồm khâu dẫn có chốt gạt và khâu bị dẫn dạng đĩa rãnh chữ thập. Khâu dẫn ăn khớp nhịp nhàng, khóa cứng đĩa bị dẫn trong thời gian bàn xoay dừng lại để các xy lanh thực hiện hành trình ép. Giải pháp này giúp hệ thống hoạt động êm ái và đạt độ tin cậy cao.
III. Phương pháp tính toán thiết kế máy nhào kẹo và cơ cấu Man
Tính toán thiết kế máy nhào kẹo đòi hỏi việc tích hợp chặt chẽ giữa cơ học máy, khí nén và hệ thống điều khiển điện tự động. Hệ thống khí nén sử dụng ba xy lanh: hai xy lanh A, B ép theo phương ngang và một xy lanh C ép từ trên xuống. Mạch điều khiển trang bị các van phân phối đảo chiều 5/2 cùng cảm biến tiệm cận nhằm xác định vị trí hành trình. Khi xy lanh A và B ép kẹo xong, tín hiệu cảm biến kích hoạt xy lanh C duỗi xuống dập phẳng khối kẹo. Đồng thời, trục bàn xoay được tính toán theo độ bền uốn và xoắn với vật liệu thép C45 tôi cải thiện có giới hạn bền 800 MPa. Momen xoắn tương đương trên trục bị dẫn đạt giá trị tính toán 3705,2 Nmm, từ đó xác định đường kính ngõng trục tiêu chuẩn 25 mm. Cặp ổ lăn chặn một hướng SKF 51105 được tính chọn và kiểm nghiệm khả năng tải động đạt 2691,1 N, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu làm việc liên tục. Động cơ giảm tốc được tính toán công suất phù hợp để dẫn động trơn tru toàn bộ cơ cấu Man.
3.1. Tính toán hệ thống khí nén và thiết kế mạch relay điều khiển
Mạch khí nén được thiết kế theo sơ đồ nhịp đảm bảo an toàn tuyệt đối khi vận hành liên tục. Lưu lượng khí nén cấp cho hệ thống được tính toán dựa trên thể tích làm việc của ba xy lanh A, B, C và áp suất nguồn ổn định. Van phân phối 5/2 điều khiển bằng Solenoid kết hợp lò xo hồi vị giúp đảo chiều dòng khí tức thì. Tín hiệu từ các cảm biến tiệm cận a1 và c1 đưa về mạch Relay trung gian để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây điện từ. Mạch điện relay có sơ đồ logic rõ ràng, dễ bảo dưỡng và có khả năng chống nhiễu vượt trội trong môi trường công nghiệp thực phẩm.
3.2. Tính toán động học cơ cấu Man và kiểm nghiệm trục ổ lăn
Tính toán hình học và động học cơ cấu Man xác định chính xác quy luật vận tốc, gia tốc của bàn xoay. Góc quay 90 độ của đĩa bị dẫn tương ứng với tỷ số truyền gián đoạn tối ưu, tránh hiện tượng va đập quán tính. Trục bánh bị dẫn chế tạo từ thép C45 tôi cải thiện, chịu momen tương đương 3705,2 Nmm với đường kính ngõng trục tính toán là 25 mm. Vận tốc quay đầu ra đạt 2,5 vòng/phút, tạo điều kiện cho khối kẹo định hình ổn định. Ổ lăn chặn SKF 51105 được kiểm nghiệm bền theo khả năng tải động Cd = 2691,1 N, đảm bảo tuổi thọ làm việc lâu dài dưới tải trọng nén thẳng đứng.
IV. Ứng dụng thực tế của đề tài thiết kế máy nhào kẹo cơ khí
Kết quả tính toán thiết kế máy nhào kẹo mang lại giải pháp công nghệ hoàn chỉnh cho các cơ sở sản xuất bánh kẹo quy mô vừa và nhỏ. Máy sở hữu kết cấu cơ khí gọn gàng, độ tin cậy cao nhờ sự phối hợp nhịp nhàng giữa khí nén và cơ cấu Man. Chu trình nhào ép tự động giúp giảm đáng kể thời gian gia công, loại bỏ phụ thuộc vào tay nghề công nhân. Bề mặt các chày ép và khay chứa kẹo được gia công từ vật liệu inox chống gỉ, đáp ứng nghiêm ngặt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Mô hình điều khiển relay đơn giản giúp doanh nghiệp dễ dàng vận hành, sửa chữa mà không cần kỹ thuật viên lập trình phức tạp. Đề tài mở ra hướng phát triển mở rộng như tích hợp bộ điều khiển PLC, màn hình HMI hoặc gia nhiệt tự động cho bàn xoay. Việc ứng dụng thành công thiết bị sẽ giúp doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh và hạ giá thành sản phẩm trên thị trường.
4.1. Hiệu quả kinh tế và tính khả thi trong sản xuất bánh kẹo
Việc chế tạo máy nhào kẹo trong nước giúp tiết kiệm từ 50% đến 70% chi phí so với nhập khẩu máy ngoại. Kết cấu máy sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn như xy lanh khí nén, ổ lăn SKF và thép C45 dễ tìm trên thị trường. Năng suất nhào kẹo tăng gấp nhiều lần so với làm thủ công, đồng thời giảm thiểu tỷ lệ hao hụt nguyên liệu đường mạch nha. Máy hoạt động ổn định với công suất tiêu thụ điện thấp, mang lại thời gian thu hồi vốn nhanh cho các xưởng bánh kẹo truyền thống.
4.2. Hướng phát triển và hoàn thiện hệ thống máy nhào kẹo
Hệ thống máy nhào kẹo có thể tiếp tục nâng cấp bằng cách thay thế mạch relay bằng bộ điều khiển PLC Siemens hoặc Mitsubishi. Việc lắp đặt màn hình cảm ứng HMI cho phép người vận hành cài đặt linh hoạt thời gian ép và áp suất khí nén cho từng loại kẹo. Bổ sung hệ thống gia nhiệt vỏ áo bằng điện trở giúp duy trì nhiệt độ dẻo lý tưởng của khối kẹo trong suốt mùa đông. Cụm cấp liệu và dỡ kẹo tự động bằng băng tải cũng là bước hoàn thiện tiếp theo để tạo thành dây chuyền sản xuất bánh kẹo khép kín hiện đại.