TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---o0o--- TÔ VĂN GIÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG ĐỂ LỰA CHỌN THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỂ TỐI ƯU HÓA CHO TRỤC VÍT TRONG MÁY SẢN XUẤT BÚN
GIỚI THIỆU
Tổng quan
Hiện nay, công nghệ tự động hóa đang được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam, giúp giảm bớt sức lao động thủ công bằng cách sử dụng máy móc tự động và robot Đặc biệt, việc phục vụ nhu cầu hàng ngày của con người đang được ưu tiên hàng đầu.
Tăng năng suất là một vấn đề quan trọng nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu thực tế, đồng thời góp phần vào việc đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.
Việt Nam nổi bật với nền nông nghiệp phát triển, đặc biệt là các sản phẩm từ gạo và mì Các món ăn như phở, bún, bánh hỏi và bánh tráng không chỉ phổ biến trong nước mà còn được yêu thích ở nhiều quốc gia khác Những khu vực ẩm thực mang đậm phong cách Việt Nam đã thu hút sự chú ý của thực khách toàn cầu.
Các sản phẩm kết hợp với sợi bún, phở hay bánh hỏi thể hiện nét đặc trưng và phong vị đậm đà của ẩm thực Việt Nam Phở và bún bò, hai món ăn nổi tiếng, dễ dàng tìm thấy tại các nhà hàng buffet ở Việt Nam cũng như các nhà hàng Việt trên toàn thế giới.
2 Hình1 2 Phở và bún bò
Hình 1.3-Công nghệ sản xuất phở, bánh cuốn, bún và bánh hỏi
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng của nhà hàng, quán ăn và hộ gia đình, việc tự động hóa sản xuất các sản phẩm từ nguyên liệu gạo mì là rất cần thiết Hình 1.4 minh họa quá trình cắt phở và bún trong sản xuất công nghiệp, cho thấy sự linh hoạt trong quy trình sản xuất.
Quá trình sản xuất các sản phẩm thông qua máy ép đùn chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố của vít tải Đề tài “Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng để lựa chọn thông số kỹ thuật tối ưu cho trục vít trong máy sản xuất bún tươi, phở tươi, bánh cuốn, bánh hỏi với năng suất 15kGs/giờ” là cần thiết, nhằm cung cấp bảng thông số ứng dụng cho thị trường Điều này không chỉ đơn giản hóa quy trình sản xuất và chế tạo trục vít mà còn giúp giảm giá thành, tăng tính cạnh tranh cho thiết bị trong sản xuất thương mại.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, hầu hết các nhà hàng trên thế giới khi phục vụ ẩm thực Việt Nam như Phở, bánh cuốn, bún thường sử dụng bún hoặc phở khô nhập khẩu từ các nước châu Á như Thái Lan, Trung Quốc và Việt Nam, trong khi rất ít cửa hàng có món phở, bún tươi Một số quốc gia đã phát triển dây chuyền sản xuất công nghiệp cho nguyên liệu phở, bún, nhưng chất lượng vẫn bị ảnh hưởng bởi vận chuyển và khí hậu, gây khó khăn trong việc xây dựng thương hiệu riêng Ngoài ra, các nhà hàng thường phải mua bún, phở từ nhiều nguồn khác nhau nếu muốn phục vụ đa dạng món ăn.
Nhiều cửa hàng phải đầu tư vào hai máy riêng biệt để sản xuất bún và phở, điều này dẫn đến những bất lợi về tài chính, vận hành và không gian sản xuất.
Mỹ phải mua đồng thời hai thiết bị của nhóm thực hiện đề tài (hình 1.5)
Hình 1.5 cho thấy khách hàng mua hai thiết bị phở và bún riêng biệt trong một nhà hàng Dây chuyền thiết bị hiện tại phục vụ sản xuất công nghiệp với sản lượng lớn, nhưng vẫn gặp nhiều vấn đề về tự động hóa và vệ sinh an toàn thực phẩm Do đó, cần phát triển một thiết bị đa năng có khả năng sản xuất đồng thời sản phẩm dạng sợi và tấm, đáp ứng nhu cầu thực tiễn Việc nghiên cứu và chế tạo loại thiết bị đa năng với kích thước siêu nhỏ là rất cần thiết.
Mục tiêu đề tài
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng nhằm lựa chọn các thông số kỹ thuật tối ưu cho trục vít trong máy sản xuất bún tươi, phở tươi, bánh cuốn và bánh hỏi Nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước, từ đó giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm trong ngành chế biến thực phẩm.
Năng suất 15kGs/giờ là một yếu tố quan trọng cần được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo sản phẩm từ giai đoạn thử nghiệm đến khi đưa ra thị trường Để đạt được điều này, đề tài đặt ra các mục tiêu cụ thể cần thực hiện.
Mô phỏng: Mô phỏng dòng vật liệu trong quá trình ép đùn của trục vít, để lựa chọn lại thông số chế tạo của trục vít
Quy hoạch thực nghiệm bao gồm việc thí nghiệm trên thiết bị với nguyên liệu cụ thể và thử nghiệm thay đổi nhiều yếu tố đầu vào để đạt được sản phẩm đạt yêu cầu Qua đó, điều chỉnh thông số vận tốc của trục vít là cố định, giúp loại bỏ việc sử dụng biến tần điều khiển, từ đó dễ dàng vận hành và giảm chi phí khi đưa sản phẩm ra thị trường.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp mô phỏng dòng vật chất trong trục vít đơn của máy ép đùn giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến trục vít và chất lượng sản phẩm đầu ra trong quá trình vận hành.
Sử dụng phương pháp Taguchi trong quy hoạch thực nghiệm giúp lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình vận hành của trục vít Để đơn giản hóa việc chọn lựa thông số vận hành, biến tần được áp dụng để điều khiển tốc độ quay của trục vít một cách vô cấp Qua đó, quy hoạch thực nghiệm cho phép xác định tốc độ tối ưu cho trục vít, tương ứng với từng loại và thành phần nguyên liệu đầu vào.
Ưu và nhược điểm
Phương pháp mô phỏng và Quy hoạch thực nghiệm trong thiết kế và vận hành mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc chế tạo và thử nghiệm trở nên dễ dàng và đơn giản hơn Những phương pháp này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giúp giảm chi phí và thời gian thực hiện.
Trong quá trình mô phỏng và quy hoạch thực nghiệm, một nhược điểm thường gặp là chúng ta thường đơn giản hóa vấn đề bằng cách chỉ xem xét các nhân tố độc lập có thể điều chỉnh làm biến đầu vào, trong khi các nhân tố khác lại được coi là biến gây nhiễu.
6 những khó khăn, cũng như tạo ra sai xót trong quá trình mô phỏng và Quy hoạch thực nghiệm.
Kết luận chương 1
Trục vít là chi tiết quan trọng nhất trong thiết bị sản xuất đa dạng sản phẩm Việc áp dụng phương pháp mô phỏng và quy hoạch thực nghiệm sẽ đơn giản hóa và nâng cao độ chính xác trong quá trình thiết kế và thử nghiệm, từ đó giảm thiểu thời gian và chi phí Điều này cũng cho phép xây dựng bảng thông số vận hành và phương pháp thực nghiệm cho các loại sản phẩm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm
2.1.1 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:
Trong giai đoạn 1, hỗn hợp bột gạo và nước được giữ nhiệt ở 50°C trong khoảng 1 phút Trong thời gian này, hỗn hợp được khuấy với tốc độ không đổi, dẫn đến quá trình hấp phụ nước, làm cho bột trương nở không đều.
Giai đoạn 2 của quá trình gia nhiệt diễn ra từ 50°C đến 95°C, trong đó bột nước phở và bột nước bún bắt đầu nhão và hồ hóa khi đạt khoảng 75°C Độ nhớt của hỗn hợp tăng dần cho đến khoảng 95°C, nhưng sau đó, khi tiếp tục gia nhiệt, độ nhớt bắt đầu giảm.
Giai đoạn 3: giữ nhiệt ổn định tại 95°C
Ở giai đoạn phân hủy, độ nhớt giảm xuống, cho thấy sự tổn thất gia tăng do hiện tượng dính và mất nước Thời gian kéo dài của giai đoạn này càng lớn, tổn thất càng cao.
Giai đoạn 4: làm nguội từ 95°C xuống tới 50°C
Trong giai đoạn làm nguội, khi nhiệt độ giảm xuống 50°C, độ nhớt của chất liệu tăng trở lại, được gọi là giai đoạn thiết lập lại độ nhớt Giá trị này là thước đo cho quá trình 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 được giữ ở nhiệt độ 50°C để đạt độ nhớt ổn định, gọi là độ nhớt cuối cùng Giá trị 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 áp dụng RVA cùng với các thử nghiệm hóa lý quy mô nhỏ giúp đánh giá hiệu quả sự hồ hóa và kết tinh của bột nước phở và bột nước bún.
2.1.2 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 hiệu quả nhờ vào việc các amylose và amylopectin duỗi thẳng mạch và sắp xếp lại Quá trình này diễn ra thông qua các liên kết hydro trực tiếp 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
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
Sợi có thể được tạo ra bằng cách đùn dịch tinh bột qua một bản đục lỗ có đường kính phù hợp Khi dịch tinh bột đi qua lỗ, các phân tử sẽ định hướng theo dòng chảy, 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 sau khi hình thành sẽ được kéo ra khỏi bễ và nhúng vào nước lạnh, giúp các phân tử liên kết chặt chẽ hơn và tạo ra nhiều liên kết hydro giữa chúng.
• Tiếp theo sẽ gia nhiệt để sấy khô nhằm tăng lực cố kết và độ cứng
Các sợi bún được chế biến từ các loại tinh bột giàu amylose như tinh bột đậu xanh và tinh bột dong riềng thường có độ bền và độ dai cao hơn so với sợi bún làm từ tinh bột gạo và bắp.
Các tinh bột bắp chứa nhiều amilopectin có độ dài ngắn, dẫn đến lực tương tác giữa các phân tử yếu và độ bền kém Khi nhiều phân tử được kết hợp thành sợi, sẽ xuất hiện nhiều khuyết tật, làm cho sợi tinh bột dễ bị đứt.
Các yếu tố ảnh hưởng đến trục vít tải trong máy ép đùn
Hình 2.4 – Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu ra sản phẩm
Nguyên liệu được cung cấp vào trục vít qua phễu dưới tác động của trọng lượng Walker [8] đã chứng minh áp suất phân bổ trong phễu thông qua hai công thức sau:
Hình 2.5- Mặt cắt đứng của phễu với các thông số
Mặt cắt ngang phần trên, công thức (2.1):
𝜕 : Góc ma sát giữa cát hạt trong hỗn hợp
𝑓 𝑤 ′ : Hệ số ma sát giữa hỗn hợp với thành phễu
Áp suất ban đầu và áp suất do áp lực vật liệu tại độ cao H được ký hiệu là p và p0, trong đó p tương đương với áp suất khí quyển Đường kính của phễu được ký hiệu là w, mật độ của các phân tử bột trong dung dịch là ρbulk, gia tốc trọng trường là g, và D* là nhân tố phân phối.
Phần hội tụ (cuống phễu), công thức (2.2):
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
2.2.2 Phần tải liệu và nén (Trục vít và máng tải liệu)
Dòng vật liệu chảy trong trục vít chịu ảnh hưởng bởi lực cản từ áp lực ban đầu tại phễu, tải trọng của trục vít, và ma sát giữa dòng vật chất với vít tải và máng tải liệu.
Theo Tadmor [8], khi dòng chảy của vật liệu là đẳng hướng, áp suất trong toàn bộ vít tải gần như đồng nhất, chỉ thay đổi ở phần khuôn của máy Áp suất vật liệu trong trục vít được tính theo công thức (3).
Áp suất cơ bản trong phễu cấp liệu được ký hiệu là p0, trong khi zb là khoảng cách từ đầu ra của phễu đến bề mặt dưới của máng tải Hệ số ma sát của vật liệu với bề mặt được biểu thị bằng fb và fs.
Máng tải và bề mặt của trục vít có các thông số quan trọng như độ sâu cánh vít (H), bề rộng cánh vít (Wb) và chân cánh vít (Ws) Góc nghiêng tại đỉnh cánh vít và chân cánh vít được ký hiệu là 𝜃b và 𝜃s Đường kính trong của máng tải là Db, trong khi đường kính ngoài của trục vít tại chân cánh vít là Ds Cuối cùng, chiều rộng trung bình (Wa), đường kính (Da) và góc nghiêng (𝜃a) 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):
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 ảnh hưởng đến các pha của hồ tinh bột và trục vít sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về sản phẩm đầu ra Dựa trên cơ sở lý thuyết, chúng ta có thể tính toán và thiết kế lại phễu cấp liệu và trục vít với các thông số phù hợp nhằm đạt được năng suất yêu cầu.
MÔ PHỎNG CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH ÉP ĐÙN
Thông số phễu và trục vít thiết kế theo cơ sở lý thuyết
Để đơn giản hóa quá trình tính toán và thiết kế, tác giả đã bỏ qua dòng rò có giá trị nhỏ, coi như trục vít tải hoàn toàn vật liệu và nén chúng 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
3.1.1 Tính toán thiết kế phễu cấp liệu:
Thông số thiết kế của phễu cấp liệu:
- Năng suất của thiết bị: Qkg/giờ
- Khối lượng riêng của hỗn hợp gạo và nước: ρ20kg/m 3
Công thức tính năng suất của trục vít theo Xokolov, (Công thức 3.1):
Q - Năng suất ép của trục vít, Q = 15 kg/giờ
Thể tích thùng chứa nguyên liệu là Vt (m³), với thời gian trộn nguyên liệu ttr là 1.5 phút Thời gian nạp nguyên liệu vào thùng chứa tn là 1 phút, trong khi thời gian xả liệu tth là 30 phút.
𝜌 - Khối lượng riêng của nguyên liệu, ρ = 1020 kg/m 3
𝜑 - Hệ số chứa đầy của thùng chứa nguyên liệu, chọn 𝜑 = 0,5
Từ (3.1) tính được thể tích thùng chứa nguyên liệu:
Vật liệu được chọn cho phễu chứa là Inox 304 với chiều dày 2mm Phễu được thiết kế thành 2 phần: phần 1 là hình trụ tròn và phần 2 là hình nón cụt, như mô tả trong hình 3.1 Do đây là thiết kế cho mục đích thực nghiệm, phần phễu sẽ lớn hơn kích thước thực tế, và việc cấp liệu được điều tiết thông qua van một chiều Phễu có dung tích 0,016 m³, tương đương với 16 lít.
Hình 3.1 – Thông số thiết kế của phễu cấp liệu Thể tích phễu chứa theo thiết kế:
12 100 (400 2 + 34 2 + 400.34) = 20272782𝑚𝑚 3 ≈ 20𝑙𝑖𝑡 Thể tích phễu chứa 20 lít lớn hơn thông số tính toán ban đầu, đạt yêu cầu.
3.1.2 Tính toán thông số trục vít:
Thông số thiết kế trục vít theo cơ sở lý thuyết, theo Xokolov, công thức tính trục vít theo năng suất (Công thức 3.2):
+ Q – Năng suất của trục vít, Q = 20 kg/giờ (Theo thông số phễu cấp liệu và hệ số an toàn k=1.4)
+ ρ – Khối lượng riêng của hỗn hợp bột gạo và nước ρ = 1020kg/m 3
+ – Hệ số tính tới dòng chảy chảy ngược của vật liệu gây ra bởi lực cản của khuôn tác dụng lên dòng chảy của vật liệu Chọn =0,8
+ D – Đường kính ngoài của trục vít (m)
+ d – Đường kính trong tối đa của trục vít (m) Chọn d = 0,85D
Bước vít (S) trong máy đùn ép kiểu vít được xác định theo tỷ lệ với đường kính ngoài (D) của trục vít, với công thức S = (0,3 ÷ 1,0) D Để đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định, tỷ lệ lý tưởng được khuyến nghị là S = 0,45D.
+ e – Bề dày cánh vít (m): e = (0,03 ÷ 0,12)D Chọn e = 0,04D
+ – Góc nâng của cánh vít (độ) và được tính bằng công thức sau: arctg S
+ n – Số vòng quay của trục vít trong một phút Chọn sơ bộ n = 600 vòng/phút
+ Kđ – Hệ số nạp đầy, Kđ = 0,8 ÷ 1 Chọn Kđ = 0,8
+ Ke – Hệ số ép vật liệu, Ke = 0,51 ÷ 0,56 Chọn Ke = 0,51
+ Kf – Hệ số rút bớt, Kf = 0,9 – 1 Chọn Kf = 0,9
Thay vào công thức (3.2) ta tính toán được thông số trục vít, và chọn vít có 30 bước, ta có chiều dài sơ bộ của vít theo thiết kế Hình 3.2:
Hình 3.2 – Thông số thiết kế ban đầu của vít tải
3.1.3 Một số hình ảnh kết quả chạy thử với trục vít theo thiết kế ban đầu a) b) Hình 3.3 – a) Chạy thử bánh cuốn , b) Phở
Sản phẩm với trục vít được thiết kế và chế tạo ban đầu không đạt yêu cầu về mặt cảm quan Hơn nữa, hình dáng của sản phẩm không đúng theo kích thước mong muốn như đã thiết kế trong khuôn.
Mô phỏng và phân tích kết quả
3.2.1 Sự trương nở của tinh bột dưới tác dụng của nhiệt Ở phần mở đầu, chúng ta cũng đã đề cập tới biểu đồ thay đổi độ nhớt của tinh bột tương ứng với nhiệt độ và thời gian Để kết quả mô phỏng được chính xác hơn, ta có xét đến sự thay đổi mức độ trường nở vì nhiệt của các loại tinh bột gạo với các hàm lượng Amylose khác nhau
Hình 3.4 – Sự trương nở theo nhiệt độ
3.2.2 Xây dựng mô hình trên Comsol Multiphysics ®
Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày quá trình mô phỏng dòng vật chất trong máy đùn trục vít ngang Với giả định rằng vật liệu là giả dẻo, để tránh tình trạng độ nhớt vô hạn phi vật lý tại các điểm cắt có giá trị bằng “zero”, Comsol áp dụng hàm định luật về năng lượng.
Hệ số nhất quán của chất lỏng được ký hiệu là m, trong khi chỉ số hành vi dòng chảy là n Tốc độ cắt tham chiếu được biểu thị bằng 𝛾̇ 𝑟𝑒𝑓, và 𝛾 𝑚𝑖𝑛 là tốc độ cắt nhỏ nhất.
Hình 3.5 – Mô hình hình học trục vít đùn tương đương trong thiết kế
Thiết kế trục vít dựa trên lý thuyết và sử dụng phần mềm thiết kế hiện đại, tác giả nhập các thông số thiết kế ban đầu, bao gồm các thông số cài đặt cần thiết.
- Áp suất đầu vào: 2Mpa (bao gồm áp suất tạo bởi vật liệu từ phễu cấp liệu, và áp ban đầu do vít tải nén lên vật liệu)
- Và hệ số truyền nhiệt của thép không gỉ là 50W/m 2 K)
- Nhiệt độ bên ngoài của máng chứa là 45 0 C
Các thông số đầu vào khác:
Bảng 3.1 – Bảng thông số cài đặt ban đầu:
Mô phỏng với Comsol Multiphysics:
Hình 3.6 – Mô hình và mô phỏng với Comsol
3.2.3 Kết quả sau khi mô phỏng a) Vận tốc
Hình 3.7 – Kết quả mô phỏng về vận tốc b) Nhiệt độ
Hình 3.8 – Kết quả mô phỏng về nhiệt độ
Hình 3.9 – Kết quả mô phỏng về độ nhớt d) Tốc độ cắt
Hình 3.10 – Kết quả mô phỏng về vận tốc cắt
3.2.4 Thảo luận kết quả và đề xuất thay đổi cho trục vít a) Thảo luận
Kết quả mô phỏng trong mục 3.2.3 cho thấy lượng vật liệu bị nén và đóng lại ở cuối trục vít Hình 3.8 chỉ ra rằng độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng, điều này phù hợp với lý thuyết về các pha của tinh bột.
Cuối cùng, phần cuối của vít tải cho thấy sự phân bổ vận tốc không đồng đều, điều này gây ra hiện tượng trộn bột không đồng nhất, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm và năng suất của thiết bị.
Hình 3.11 – Biểu đồ về sự thay đổi tốc độ, áp suất, nhiệt độ
Hình 3.12 – Biểu đồ thể hiện về vận tốc của dòng nguyên liệu trong trục vít b) Đề xuất thiết kế mới cho vít tải
Nghiên cứu cho thấy có sự tương quan rõ rệt giữa nhiệt độ và các yếu tố như vận tốc, độ nhớt, cũng như áp suất của vật liệu trong hệ thống vít tải.
Sau khi thực hiện mô phỏng, tác giả đã đề xuất một phương án mới cho trục vít, phù hợp với các pha biến đổi nhiệt độ trong suốt quá trình Hình 3.10 cho thấy nhiệt độ có ba vùng thay đổi, do đó thiết kế trục vít cũng được điều chỉnh theo ba bước vít khác nhau.
Vùng 1 là khu vực hỗn hợp bột nước được gia nhiệt sau khi đi qua phễu cấp liệu Hình 3.10 cho thấy cảm biến nhiệt trong mô phỏng, cho thấy độ ổn định nhiệt trong hỗn hợp giảm dần theo hồ hóa.
Vùng 2 là giai đoạn có sự tương tác thấp nhất trong hỗn hợp bột, nơi diễn ra quá trình gia nhiệt để hấp chín Trong giai đoạn này, các phân tử bột liên kết với nhau, dẫn đến sự giảm tốc độ và áp suất.
- Vùng 3: Vùng này áp suất giảm nhanh, và sự tương tác nhiệt giữa các phân tử bột tăng lên, do dung dịch hồ tinh bột được ép ra khuôn
Dựa vào mô phỏng, cũng như theo Xokolov, trục vít được phân thành 3 đoạn công tác khác nhau như đã đề cập ở trên
Để thuận tiện cho việc chế tạo thử nghiệm, tác giả đã chủ động thiết kế trục vít cho thiết bị thực nghiệm, nhằm đơn giản hóa quá trình sản xuất, như thể hiện trong Hình.
Thiết kế trục vít sau khi mô phỏng và tính toán lại:
Hình 3.13 – Trục vít được chế tạo sau khi mô phỏng
Kết luận chương 3
Thông qua cơ sở lý thuyết, và sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng Comsol
Multiphysics giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế, tiết kiệm thời gian và chi phí Thay vì phải chế tạo và thử nghiệm để ghi lại thông số, công nghệ hiện đại cho phép thiết kế và chế tạo sản phẩm gần gũi hơn với thực tế.
QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ TỐI ƯU
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
Vì thời gian chế tạo kéo dài, nên để thuận tiện hơn tác giả đã chọn phương pháp Taguchi làm Quy hoạch thực nghiệm, với các ưu điểm sau:
- Đánh giá được các nhân tố chính
- Chuyển các nhân tố khác thành yếu tố gây nhiễu và xét tỷ số tín hiệu/nhiễu (Signal to Noise Ratio) S/N
Chương III đã chỉ ra rằng chất lượng sản phẩm đầu ra phụ thuộc vào độ nhớt của vật liệu Do đó, phần này sẽ tập trung vào việc đánh giá chất lượng sản phẩm thông qua độ dai, yếu tố chính bị ảnh hưởng bởi độ nhớt.
Và các nhân tố đầu vào bao gồm: Tỷ lệ phụ gia (Bột năng), Hàm lượng chất tan trong dung dịch, Tốc độ vít tải, Nhiệt độ
Các yếu tố gây nhiễu bao gồm sai số trong quá trình cân đo nguyên liệu, sai số của thiết bị, mức độ trộn đều của hỗn hợp và sai số trong chế tạo thiết bị.
Với kết quả mong muốn đầu ra là “Đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố – Nomial is best”, nên ta áp dụng tỷ số tín hiệu/nhiễu S/N:
Bảng 4.1: Các nhân tố và mức giá trị
Ký hiệu Mức giá trị
3 Tốc độ vít tải (rpm) v x3 852 923 994 71
Vì thiết bị thí nghiệm cho độ bền kéo về sợi thực phẩm còn rất hạn chế ở
Tác giả đã áp dụng phương pháp kéo giãn tới độ đứt và đo độ giãn dài tới giới hạn đứt để nghiên cứu tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Hồ Chí Minh.
Hình 4.1 – Thí nghiệm giới hạn kéo đứt
Với việc chọn 4 nhân tố đầu vào, và 3 mức giá trị xác định, cùng lựa chọn phương pháp Taguchi, nên bảng ma trận trực giao sẽ là L9:
Bảng 4.2: Ma trận quy hoạch L9 n
Các nhân tố Giá trị đáp ứng (Độ Dai)
Việc kiểm tra độ bền kéo sẽ được thực hiện bằng cách kéo đứt mẫu sản phẩm để đo độ giãn dài trên mỗi đơn vị chiều dài.
- Số lượng mẫu/lần thí nghiệm: 5 mẫu
Phương pháp kéo là kỹ thuật trong đó một đầu của sản phẩm được cố định, trong khi đầu còn lại được gắn với lực kế Sau đó, thời gian được bấm và lực được gia tăng đều đặn với tốc độ 0.1N/s cho đến khi mẫu bị đứt.
- Tại thời điểm đứt, ta đo được độ giãn dài tối đa cho từng mẫu, và sử dụng giá trị trung bình cho 5 lần đo.
Công tác chuẩn bị
- Bột gạo miền tây vàng, với các thông số của nhà cung cấp (Phục lục 1)
- Cân có thang đo khối lượng từ 10mg
- Dụng cụ đo thể tích nước, có chia vạch đến 10ml
- Lực kế có thang đo từ 0.1N
- Thước đo có chia vạch 1mm
- Đồng hồ bấm giờ c) Thiết bị
Hình 4.3 – Thiết bị được chế tạo để thực nghiệm
- Trục vít được gắn với motor vô cấp và điều khiển bằng biến tần
- Nhiệt độ buồng hấp được gia nhiệt bằng điện trở
- Hệ thống tản nhiệt (để giữ mức độ nhiệt mong muốn) bằng quạt và dòng nước
- Hệ thống băng tải với tốc độ điều chỉnh bằng biến tần.
Quá trình thực nghiệm
Kiểm tra các thông số của thiết bị trước khi tiến hành, quá trình kiếm tra các chế độ về nhiệt và tốc độ của thiết bị
Trong phương pháp Taguchi, việc kiểm tra thông số động cơ và biến tần là rất quan trọng, yêu cầu xem xét 3 mức giá trị để đảm bảo đầu ra phù hợp nhất Để duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình thực nghiệm, cần kiểm tra các chế độ và mức độ đáp ứng nhanh của hệ thống gia nhiệt và tản nhiệt Quá trình gia nhiệt và tản nhiệt trước khi thực nghiệm được thể hiện trong hình 4.5.
Hình 4.5 – Kiểm tra các chế độ nhiệt và tốc độ motor
Trong quy hoạch Taguchi, chúng ta sử dụng ma trận trực giao L9 với N=3, cho phép thực hiện 9 thí nghiệm thay vì phải thực hiện toàn bộ 27 thí nghiệm với 3 mức giá trị Mỗi thí nghiệm được lặp lại 1 lần.
Thời gian thực hiện cho mỗi lần thí nghiệm tương ứng với tốc độ trục vít là 5 phút, 6.3 phút và 7 phút, với sản phẩm tạo ra là 2.2kg/lần Năng suất của máy đạt 19kg/giờ, vượt qua thông số thiết kế ban đầu là 15kg/giờ.
Tiến hành kiểm tra sản phẩm:
Hình 4.6 – Chạy sản phẩm theo các thông số khác nhau, và đánh giá mẫu
Hình 4.7 – Đo mẫu bằng thước lá, và dụng cụ đo độ kéo đứt
Tiến hành lấy mẫu và kiểm tra
- Trong mỗi chế độ lấy 3 đến 5 mẫu
- Dùng thước lá kiểm tra và lấy chiều dài mỗi mẫu là 100mm
- Hiệu chỉnh thiết bị đo
- Nhập thông số của sản phẩm (bề rộng, độ dày, chiều dài) vào thiết bị
- Tiến hành gá sản phẩm (hình 4.8)
Hình 4.8 – Gá và kiểm tra mẫu Bảng 4.3 – Bảng kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả theo Taguchi
Các nhân tố chế độ Nhân tố mã hóa Giá trị đáp ứng (khả năng kéo giãn)(m m)
Nồn g độ (kg/l ít) v (rp m) t ( 0 C) x
Theo yêu cầu ban đầu của thí nghiệm, độ giãn dài cần đạt trong phạm vi giá trị tốt nhất Do đó, chúng ta sẽ sử dụng công thức tính S/N theo công thức (4.1).
Kết quả tính toán trên Minitab
Hình 4.9 – Bảng thể hiện giá trị trung bình các yếu tố chính ảnh hưởng
Hình 4.10 – Trung bình các yếu tố chính ảnh hưởng
Hình 4.11 – Biểu đồ những yếu tố chính ảnh hưởng đến tỉ số S/N
- Hệ số R-sq và R-sq hiệu chỉnh
Hệ số R-sq(adj) trong hình 4.12 cho thấy mức độ tương quan cao giữa các nhân tố được khảo sát trong thực nghiệm.
- Phương trình hồi quy bậc 2:
Phương trình hồi quy bậc 2 (hình 4.13) cho thấy mối liên hệ giữa các yếu tố, cho phép điều chỉnh các nhân tố mà không làm thay đổi nhiều đầu ra của sản phẩm.
Biểu đồ Pareto cho thấy chỉ có hai yếu tố quan trọng là phụ gia (A) và nhiệt độ (D), trong khi hai yếu tố còn lại có mức ý nghĩa thấp Đặc biệt, yếu tố tốc độ (C) có mức ý nghĩa rất thấp, do đó có thể không cần xem xét yếu tố này trong phương trình hồi quy.
Hình 4.15 – Sự ảnh hưởng độc lập của các nhân tố đến độ giãn của sản phẩm
Hình 4.16 – Đánh giá mối liên hệ của từng cặp nhân tố đến chất lượng sản phẩm
- Phương án tối ưu các thông số để được sản phẩm với chất lượng mong muốn (hình
4.17) Ta có tối ưu phụ gia (2), Nồng độ (1), Tốc độ (2), Nhiệt độ (1.5) Cụ thể như sau:
Hình 4 17 – Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm
- Tiến hành kiểm tra lại với thông số tối ưu của các nhân tố, thu được chất lượng đánh giá đạt về mặt cảm quan như hình 4.18
– Sản phẩm sau khi chạy với thông số tối ưu sau thực nghiệm Bảng 4.4 – Bảng kết quả kiểm tra các thông số ứng suất trong thí nghiệm kéo đứt
Tensile extension at Maximu m Load (mm)
Extension at Break (Standard ) (mm)
Tensile extension at Break (Standard ) (mm)
Tensile strain at Maximu m Load (mm/mm )
Tensile stress at Maximu m Load (MPa)
Deviatio n 0.02 29.83 0.12 0.12 5.97 0 Đồ thị thí nghiệm kéo đứt (hình 4.19)
Hình 4.19 – Biểu đồ hiển thị thí nghiệm kéo đứt
Kết luận
Qua quy hoạch thực nghiệm, chúng ta nhận thấy rằng trục vít có ảnh hưởng không lớn đến chất lượng sản phẩm khi xét đến yếu tố tốc độ, điều này được thể hiện rõ qua đồ thị Pareto Kết quả này chứng minh rằng thiết kế trục vít theo lý thuyết và mô phỏng trong Chương III là hợp lý.
Trục vít được thiết kế với các đoạn công tác có bước vít khác nhau, giúp trộn đều hỗn hợp hồ tinh bột Trong giai đoạn hấp chín, hỗn hợp này được tiếp xúc đồng đều với nhiệt độ Khi ép vào khuôn, bước vít nhỏ nhất được sử dụng để đẩy bột đã chín vào tạo hình sản phẩm mong muốn, đồng thời giảm ma sát giữa khối bột và xi lanh.
Trong quy hoạch thực nghiệm, chất lượng sản phẩm được xác định bởi mức độ ổn định về độ dai (giãn dài) của sợi phở, chịu ảnh hưởng chủ yếu từ phụ gia Thực nghiệm cũng cho thấy nhiệt độ có tác động lớn đến chất lượng, như đã nêu trong Hình 2.2 về quá trình biến đổi thù hình (độ nhớt) của hồ tinh bột theo sự thay đổi nhiệt độ.
Do thời gian có hạn, tác giả chỉ tập trung vào Quy hoạch thực nghiệm với sản phẩm sợi phở, sử dụng các thông số ban đầu dựa trên các thí nghiệm trước của Thầy Trần Doãn Sơn với các máy công tác đơn cho bún, phở, bánh cuốn Ngoài ra, một số sản phẩm khác như bún và bánh hỏi cũng đã được thử nghiệm và đạt yêu cầu về mặt cảm quan.