Luận văn thạc sĩ về tối ưu hóa trục vít trong máy sản xuất bún tươi và phở tươi

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí ứng dụng quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng tối ưu hóa trục vít cho máy sản xuất bún tươi và bánh cuốn.

• Tác giả: Tô Văn Giáp
• Người hướng dẫn: GS. Trần Doãn Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Tối Ưu Hóa Trục Vít Máy Sản Xuất Bún Và Phở Bằng Quy Hoạch Thực Nghiệm Và Mô Phỏng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. HỒ CHÍ MINH

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa trục vít của máy sản xuất bún và phở thông qua việc áp dụng quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng. Trục vít là một phần quan trọng trong máy sản xuất, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc lựa chọn thông số kỹ thuật phù hợp cho trục vít không chỉ giúp cải thiện hiệu suất máy mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Đề tài được thực hiện với mục tiêu tạo ra một thiết bị có thể sản xuất đa dạng các loại sản phẩm từ bột gạo, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Theo đó, nghiên cứu sẽ sử dụng các phương pháp hiện đại như mô phỏng qua phần mềm Comsol Multiphysics và quy hoạch thực nghiệm để tìm ra các thông số tối ưu cho trục vít.

1.1. Tầm quan trọng của trục vít

Trục vít là thành phần chủ yếu trong máy ép đùn, có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nguyên liệu thành sản phẩm cuối cùng. Việc tối ưu hóa trục vít không chỉ ảnh hưởng đến năng suất mà còn đến chất lượng sản phẩm. Theo các nghiên cứu trước đây, trục vít cần được thiết kế sao cho phù hợp với tính chất của nguyên liệu đầu vào, đặc biệt là độ nhớt và khả năng tạo hình của bột gạo. Các yếu tố như tốc độ quay, hình dạng và kích thước của trục vít đều có tác động lớn đến quá trình sản xuất. Do đó, việc áp dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng để lựa chọn thông số tối ưu là rất cần thiết.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn này bao gồm việc sử dụng quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng để xác định các thông số tối ưu cho trục vít. Quy hoạch thực nghiệm, đặc biệt là phương pháp Taguchi, giúp xác định mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào và đầu ra trong quá trình sản xuất. Mô phỏng thông qua phần mềm Comsol Multiphysics cho phép phân tích chi tiết các yếu tố tác động đến chuyển động của dòng vật liệu trong trục vít. Việc kết hợp hai phương pháp này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn nâng cao độ chính xác trong việc lựa chọn các thông số kỹ thuật cho trục vít.

2.1. Quy hoạch thực nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm được thực hiện để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Các yếu tố như nhiệt độ, độ nhớt của bột và tốc độ quay của trục vít đều được xem xét. Thí nghiệm được thực hiện trên thiết bị thực tế với nguyên liệu bột gạo, nhằm tìm ra các thông số tối ưu nhất. Kết quả của quy hoạch thực nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc thiết kế trục vít, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm.

2.2. Mô phỏng

Mô phỏng là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu này, cho phép phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. Phần mềm Comsol Multiphysics được sử dụng để mô phỏng dòng vật liệu trong trục vít, giúp xác định áp suất và lực cản trong quá trình ép đùn. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá tính chính xác và hiệu quả của các thông số thiết kế. Việc sử dụng mô phỏng không chỉ giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình thử nghiệm mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố tác động đến chất lượng sản phẩm.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa quy trình sản xuất bún và phở thông qua trục vít có thể nâng cao đáng kể năng suất và chất lượng sản phẩm. Các thông số được xác định từ quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra rằng tốc độ quay của trục vít và nhiệt độ của nguyên liệu là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. Đặc biệt, việc điều chỉnh tốc độ quay có thể giúp tối ưu hóa quá trình chuyển pha của bột gạo, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm đầu ra. Kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành sản xuất thực phẩm.

3.1. Phân tích kết quả

Các kết quả thu được từ nghiên cứu cho thấy rằng trục vít được thiết kế tối ưu đã cải thiện đáng kể hiệu suất máy. Việc áp dụng phương pháp Taguchi trong quy hoạch thực nghiệm đã giúp xác định được các thông số tối ưu cho quá trình sản xuất. Các thí nghiệm thực tế cho thấy sản phẩm đầu ra đạt yêu cầu về chất lượng và năng suất, từ đó khẳng định tính khả thi của thiết kế. Sự kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm đã tạo ra một quy trình sản xuất hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

IV. Kết luận

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa trục vít trong máy sản xuất bún và phở là rất cần thiết để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng đã giúp xác định các thông số kỹ thuật phù hợp, từ đó cải thiện hiệu suất máy. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong lĩnh vực sản xuất thực phẩm mà còn có thể áp dụng cho các lĩnh vực khác trong ngành chế biến thực phẩm. Đề tài mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển các thiết bị sản xuất đa năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để tiếp tục nâng cao hiệu quả sản xuất, nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thiết bị tự động hóa trong quy trình sản xuất bún và phở. Việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp tiên tiến trong thiết kế trục vít sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Ngoài ra, cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến quá trình sản xuất để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. Với những ưu điểm nổi bật đã kể ở trên về thiết bị sản xuất nhiều loại sản phẩm, nhưng chi tiết quan trọng nhất trong thiết bị vẫn là trục vít. Nên sử dụng phương pháp mô phòng và Quy hoạch thực nghiệm sẽ giúp cho quá trình thiết kế, và thử nghiệm được đơn giản và chính xác hơn, giảm thời gian và giá thành, … Có thể đưa ra được bảng thông số vận hành hay phương pháp thực nghiệm cho các loại sản phẩm. 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG II.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Bản vẽ ý tưởng thiết bị mini sản xuất bún, bánh hỏi, phở, bánh cuốn đồng thời (4 trong 1) 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm 2. Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa độ nhớt của bột nước phở và bột nước bún với sự thay đổi của nhiệt độ cho 2 loại nguyên liệu (bột gạo và bột gạo có phụ gia) Hình 2.2: Sự thay đổi độ nhớt trong quá trình gia nhiệt được đo bằng RVA. Quá trình phân tích gồm 5 giai đoạn: Giai đoạn 1: giữ nhiệt ở 50°C.

Ở giai đoạn này hỗn hợp bột gạo và nước được khuấy ở một tốc độ không đổi và được gia nhiệt tại 50°C trong khoảng 1 phút. Khi đó, quá trình hấp phụ nước xảy ra, làm cho bột trương nở nhưng không đều. Giai đoạn 2: gia nhiệt từ 50°C lên đến 95°C. Ở giai đoạn này, bột nước phở và bột nước bún bắt đầu nhão và hồ hóa từ khoảng 750C, và độ nhớt tăng dần đến khoảng 950C.

Sau đó gia nhiệt thêm nhưng thấy độ nhớt bắt đầu giảm. Giai đoạn 3: giữ nhiệt ổn định tại 95°C. 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ở giai đoạn này ta thấy độ nhớt giảm xuống, ta gọi giai đoạn này là giai đoạn phân hủy, khi giai đoạn này càng kéo dài, nghĩa là sự tổn thất càng cao, do dính và mất nước. Giai đoạn 4: làm nguội từ 95°C xuống tới 50°C.

Trong giai đoạn làm nguội, độ nhớt tăng lên trở lại được quan sát thấy khi hạ nhiệt độ xuống mức 50°C. Đây được gọi là giai đoạn độ nhớt được thiết lập lại. Giá trị này được xem là thước đo độ kết tinh lại của bột trong quá trình làm nguội. Giai đoạn 5: giữ nhiệt ổn định tại 50°C.

Sau khi làm nguội, hỗn hợp lúc này được giữ nhiệt ở 50°C một lúc để độ nhớt đạt đến mức ổn định. Đây được gọi là độ nhớt cuối cùng. Từ đó, ta ghi nhận được giá trị của độ nhớt thiết lập lại được xác định bằng sự chênh lệch giữa độ nhớt đỉnh (ở giai đoạn 2) và độ nhớt cuối cùng. Việc sử dụng RVA kết hợp với các thử nghiệm hóa lý quy mô nhỏ có thể cung cấp cho ta thước đo để đánh giá sự hồ hóa và kết tinh của bột nước phở và bột nước bún.

Khả năng tạo hình của tinh bột ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. a) Khả năng tạo màng: • Tinh bột có khả năng tạo màng tốt. Để tạo màng, các amylose và amylopectin phải duỗi thẳng mạch, sắp xếp lại, tương tác trực tiếp với nhau bằng liên kết hydro hoặc gián tiếp thông qua nước. • Màng có thể thu được từ dung dịch phân tán trong nước.

Dạng màng này dễ trương ra trong nước. 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 2.3 – Khả năng tạo màng – Bánh hỏi Quy trình tạo màng: Tinh bột →Hòa tan → Hồ hóa sơ bộ → Khuấy kỹ → Rót mỏng lên mặt phẳng kim loại b) Khả năng tạo sợi: • Tinh bột cũng có khả năng tạo sợi. Chính nhờ khả năng này mà người ta có thể làm bún, miếng, hủ tiếu. • Có thể tạo sợi bằng cách cho dịch tinh bột qua một bản đục lỗ với đường kính thích hợp.

Khi đùn qua lỗ này chúng sẽ định hướng theo dòng chảy, các phân tử tinh bột có xu hướng kéo căng ra và sắp xếp song song với nhau theo phương của trọng lực. • Các sợi ra khỏi khung còn ướt, chúng ướng nhúng ngay vào bể nước nóng để hồ hoá và định hình sợi bún do tác dụng của nhiệt. • Các phân tử tinh bột đã được sắp xếp trong từng sợi sẽ tương tác với nhau và với nước bằng liên kết hyđrô để hình thành sợi bún. • Các sợi đã hình thành được kéo ra khỏi bễ rồi nhúng vào nước lạnh để các phân tử liên kết với nhau chặt chẽ hơn và tạo nhiều liên kết hyđrô giữa các phân tử.

• Tiếp theo sẽ gia nhiệt để sấy khô nhằm tăng lực cố kết và độ cứng. • Các sợi bún được làm từ các loại tinh bột giàu amylose như tinh bột đậu xanh, tinh bột dong riềng thường bền và dai hơn so với sợi bún được làm từ tinh bột gạo, bắp. 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ • Các tinh bột bắp giàu amilopectin thường rất ngắn nên lực tương tác giữa các phân tử yếu, do đó độ bền kém. Ngoài ra khi chập nhiều phân tử lại thành sợi sẽ có nhiều khuyết tật, do đó sợi tinh bột sẽ dễ bị đứt.

Các yếu tố ảnh hưởng đến trục vít tải trong máy ép đùn.4 – Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu ra sản phẩm 2. Phễu cấp liệu Nguyên liệu sẽ được cung cấp vào trục vít thông qua phễu, dưới tác động của trọng lượng. Theo Walker [8] có chứng minh được áp suất phân bổ trong phễu thông qua 2 công thức sau: Hình 2.5- Mặt cắt đứng của phễu với các thông số 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mặt cắt ngang phần trên, công thức (2.1) 𝑊 4𝐵𝐷 𝑊 Trong đó: 𝑠𝑖𝑛𝜕𝑠𝑖𝑛𝐾0 𝐵= 1−𝑠𝑖𝑛𝜕𝑐𝑜𝑠𝐾0 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑤 𝜋 𝐾0 = 𝛽𝑤 + 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 ( ) , 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 > 𝑠𝑖𝑛𝛿 2 𝛽𝑤 = arctan⁡(𝑓𝑤′ ) 𝜕 : Góc ma sát giữa cát hạt trong hỗn hợp 𝑓𝑤′ : Hệ số ma sát giữa hỗn hợp với thành phễu Và p và p0 là áp suất ban đầu và áp suất gây ra bởi áp lực vật liệu ứng với độ cao H (p tương đương áp suất khí quyển), w là đường kính của phễu, ρbulk là mật độ của các phân tử bột trong dung dịch, g là gia tốc trọng trường, D* là nhân tố phân phối. Phần hội tụ (cuống phễu), công thức (2.2) 𝐻0 𝜓−1 𝐻0 Trong đó: 2𝐵′ 𝐷 ∗ 𝜓= 𝑡𝑎𝑛𝛼 𝑠𝑖𝑛𝜕sin⁡(2𝛼+𝐾0 ) 𝐵′ = 1−𝑠𝑖𝑛𝛿cos⁡⁡(2𝛼+𝐾0 ) 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑤 𝜋 𝐾0 = 𝛽𝑤 + arcsin ( ) , 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 < 𝑠𝑖𝑛𝛿 2 𝛽𝑤 = arctan(𝑓𝑤′ ) Và p và p0 là áp suất ban đầu và áp suất phần trên của của phần hội tụ, h0 và H0 là chiều cao của phần hội tụ 12 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.

Phần tải liệu và nén (Trục vít và máng tải liệu) Hình 2.6 – Các thông số chính của trục vít Dòng vật liệu chảy trong trục vít là dòng chảy có lực cản, dòng chảy do áp lực ban đầu từ phễu và do tải của trục vít, ngoài ra còn có lực cản do ma sát của dòng vật chất với vít tải và với máng tải liệu. Theo Tadmor [8] Giả sử dòng chảy của vật liệu là đẳng hướng, có nghĩa là được định hướng bởi trục vít và áp suất trong toàn bộ vít tải là gần như nhau, chỉ có thay đổi ở phần khuôn của máy. Thì áp suất vật liệu trong trục vít được tính theo công thức (3): 𝑝 = 𝑝0 𝑒 −𝜆𝑧𝑏 (2.3) Trong đó: 𝐴1 𝐾−𝐵1 𝜆= 𝐴2 𝐾+𝐵2 𝐴1 = 𝑓𝑏 𝑊𝑏 𝑠𝑖𝑛∅ + 2𝐻𝑓𝑠 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑏 + 𝑊𝑠 𝑓𝑠 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑏 𝐴2 = 𝐻𝑊𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑎 𝐷 𝐷𝑠 𝐵1 = 𝑓𝑏 𝑊𝑏 𝑐𝑜𝑠∅ − 2𝐻𝑓𝑠 𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑏 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛𝜃𝑎 − 𝑊𝑠 𝑓𝑠 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑏 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛𝜃𝑠 𝐷𝑏 𝐷𝑏 𝐷 𝐵2 = 𝐻𝑊𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑎 𝐷𝑏 𝐷𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜃+𝑓𝑠 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑎 𝐾= 𝐷𝑏 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑎 −𝑓𝑠 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑎 Và, p0 là áp suất cơ bản trong phễu cấp liệu, zb là khoảng cách từ đầu ra của phễu tới bề mặt của dưới của máng tải, fb và fs là hệ số ma sát của vật liệu với bề 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ mặt máng tải và bề mặt của trục vít, H là độ sâu cánh vít, Wb và Ws là bề rộng của cánh vít và chân cánh vít, 𝜃𝑏 và 𝜃𝑠 là góc nghiêng đo tại đỉnh cánh vít và chân cánh vít, Db là đường kính trong của máng tải, Ds là đường kính ngoài của trục vít được đo tại chân cánh vít, Wa, Da, và 𝜃𝑎 tương ứng là chiều rộng trung bình, đường kính và góc nghiêng được đo từ tâm của máng và bề mặt của trục vít. Góc ∅ là góc nghiêng của cánh vít, được tính theo công thức sau (2.4) 𝜌𝑏𝑢𝑙𝑘 𝐻𝐷𝑏 (𝐷𝑏 −𝐻)𝑡𝑎𝑛𝜃𝑏 ( )−1 𝐺 𝑊𝑎 +𝑒 Trong đó: N là tốc độ quay của trục vít, G là tốc độ của dòng chảy vật liệu, e là chiều rộng cánh vít.

Kết luận chương 2. Phân tích các yếu tố tác động đến các pha của hồ tinh bột, cũng như nghiên cứu các yếu tố tác động đến trục vít sẽ giúp ta có một cái nhìn tổng quan về sản phẩm đầu ra, từ đó mà dựa theo cơ sở lý thuyết để tính toán thiết kế lại phễu cấp liệu, trục vít với các thông số phù hợp với năng suất yêu cầu. 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH ÉP ĐÙN.

Ở chương này, tác giả chỉ tập trung vào thiết kế và mô phỏng cho trục vít trong quá trình làm việc, để từ đó thiết kế lại trục vít với các thông số tối ưu hơn. Thông số phễu và trục vít thiết kế theo cơ sở lý thuyết Để đơn giản trong quá trình tính toán và thiết kế, tác giả đã xem dòng rò có giá trị nhỏ và được bỏ qua, xem như trục vít tải hết toàn bộ vật liệu và được nén ra ngoài. Với năng suất thiết kế dự kiến là 15kGs/giờ, với hệ số an toàn k=1.4, để cho thuận tiện cho việc điều chỉnh khi thử nghiệm. Tính toán thiết kế phễu cấp liệu: Thông số thiết kế của phễu cấp liệu: - Năng suất của thiết bị: Q=15kg/giờ - Khối lượng riêng của hỗn hợp gạo và nước: ρ=1020kg/m3 Công thức tính năng suất của trục vít theo Xokolov, (Công thức 3.1) tr 𝑛 𝑥 Trong đó: Q - Năng suất ép của trục vít, Q = 15 kg/giờ Vt - Thể tích thùng chứa nguyên liệu, m3 t tr - Thời gian trộn nguyên liệu, cho ttr=1.5 phút t n - Thời gian nạp nguyên liệu vào thùng chứa, cho tn=1 phút t th - Thời gian xả liệu, cho 𝑡𝑡ℎ = 30 phút 𝜌 - Khối lượng riêng của nguyên liệu, ρ = 1020 kg/m3 𝜑 - Hệ số chứa đầy của thùng chứa nguyên liệu, chọn 𝜑 = 0,5.1) tính được thể tích thùng chứa nguyên liệu: 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ Q.

0,5 Chọn vật liệu là Inox 304 và chiều dày 2mm. Phễu chứa được thiết kế 2 phần.