Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đóng gói tự động kiểu đứng cho các sản phẩm dạng hạt rời năng suất cực đại 40 túi với dung tích IDCM3

Lời cảm ơn Nhờ sự tạo điều kiện thuận lợi của Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau đại học, các thầy giáo Bộ môn Máy, Thiết bị và Tự động ho

Trường đại học bách khoa hà nội

-

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy đóng gói tự động

kiểu đứng cho các sản phẩm dạng hạt rời,

năng suất cực đại 40 túi với dung tích 1dcm 3 /phút

Ngành: máy thực phẩm

Lê Mạnh Anh

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Minh Hệ

Hà Nội 2006

Lời cảm ơn

Nhờ sự tạo điều kiện thuận lợi của Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội, Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau đại học, các thầy giáo Bộ môn Máy, Thiết bị và Tự động hoá CN Sinh học- CN Thực phẩm, Viện CN Sinh học-

CN Thực phẩm, Ban giám đốc Công ty CP giấy Trúc Bạch Hà Nội, Ban giám đốc Công ty CP bánh kẹo Tràng An và sự nỗ lực của bản thân nên em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp về đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy đóng gói tự động kiểu đứng cho các sản phẩm dạng hạt rời, năng suất cực đại 40 túi với dung tích 1dcm3/phút”

Qua đây em xin chân thành cảm ơn tới:

- Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau đại học trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội

- Bộ môn Máy, Thiết bị và Tự động hoá CN Sinh học- CN Thực phẩm, Viện

CN Sinh học-CN Thực phẩm

- Ban giám đốc Công ty CP giấy Trúc Bạch Hà Nội

- Ban giám đốc Công ty CP bánh kẹo Tràng An

- Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Minh Hệ

Đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày 12 tháng 11 năm 2006

Học viên

Lê Mạnh Anh

1.2 Các máy, thiết bị đóng gói ở Việt Nam và trên thế giới hiện nay 12

Chương 2 – Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm 19

2.2 Hệ thống điều khiển tự động trong máy đóng gói 23

2.2.2 Hệ thống điều khiển tự động trong máy đóng gói 29

2.3 Động lực học thuỷ khí và điều khiển trong máy đóng gói 29

2.3.2 Động lực học thuỷ khí và điều khiển trong máy đóng gói 30

Chương 3 – thiết kế chế tạo máy đóng gói kiểu đứng 32

3.2 Thiết lập hệ điều khiển tự động cho máy đóng gói 52

Chương 4 – Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ áp suất và

thời gian dán đến chất lượng vết dán.

83

4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng vết dán 88 4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến chất lượng vết dán 90 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực dán đến chất lượng vết dán 93

Chương 5 – Kết luận 98

Mở đầu

Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người được nâng cao thì nhu cầu về sản phẩm hàng hoá không những đòi hỏi về chất lượng mà còn phải đảm bảo sạch, an toàn, mẫu mã đẹp, do đó đóng gói là một khâu rất quan trọng trong toàn

bộ các ngành công nghiệp sản xuất

Đóng gói: Đây là khâu cuối cùng trong các dây chuyền sản xuất của bất cứ một sản phẩm nào Nó đóng một vai trò không nhỏ tạo nên chất lượng, vẻ đẹp, sức hấp dẫn của sản phẩm bởi đóng gói không chỉ tạo thuận lợi cho việc vận chuyển mà còn làm cho chất lượng sản phẩm ổn định, đẹp từ khâu sản xuất

đến tay người tiêu dùng

Đóng gói sản phẩm là hoạt động nghiên cứu, thiết kế và sản xuất các loại bao bì cho sản phẩm Cũng như các yếu tố khác, bao bì đã có lịch sử lâu đời Loài người đã biết lấy lá cây và lông thú để làm dụng cụ đựng và bảo quản thức ăn cùng nước uống Lọ thuỷ tinh lần đầu tiên xuất hiện tại Ai Cập khoảng 2000 năm trước Công nguyên Hoàng Đế Pháp Naponeon cũng đã treo giải thưởng 12.000 francs cho người nào tìm ra cách bảo quản thức ăn tốt nhất, điều này đã dẫn đến phát minh ra đóng gói theo phương pháp hút chân không

Đối với cả người tiêu dùng và người sản xuất, đóng gói bất cứ một sản phẩm nào phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

• Phải xác định và thể hiện được thương hiệu của sản phẩm

• Phải truyền tải được thông tin mô tả và thuyết phục về sản phẩm

• Thuận tiện trong chuyên chở

• Bảo quản tốt, ổn định chất lượng sản phẩm

• Thuận tiện trong tiêu dùng và bảo quản sản phẩm tại nhà

Để đạt được các mục tiêu trong sản xuất và kinh doanh và để thoả mãn tối đa các yêu cầu của khách hàng, việc đóng gói sản phẩm phải được cân nhắc và được lựa chọn kỹ lưỡng cả về chức năng sử dụng và yếu tố thẩm mỹ Người thiết kế bao bì đóng gói phải cân nhắc kỹ về kiểu dáng đồ hoạ, màu sắc, kích cỡ của bao bì Ngày nay, tuy có nhiều thành tựu trong lĩnh vực thiết kế và sản xuất để đáp ứng tối đa chức năng của bao bì Tuy nhiên, nhiều cuộc nghiên cứu đã chỉ ra rằng người tiêu dùng vẫn chưa hài lòng với bao bì sản phẩm đóng gói Ví dụ với bao bì thực phẩm, khách hàng cho rằng nó cần đáp ứng các điều kiện như:

• Chịu được nhiệt độ, kín và thuận tiện trong sử dụng (dễ cầm, dễ mở)

• Giữ được sản phẩm tươi trong quá trình sử dụng

• Không độc hại cho người sử dụng

• Không hại đến môi trường

Ngày nay, trong thương mại quốc tế, tuy không ít hàng để trần hoặc để rời, tuy nhiên đại bộ phận hàng hoá đòi hỏi phải được đóng gói bao bì trong quá trình vận chuyển và bảo quản Vì vậy, tổ chức đóng gói, bao bì, kẻ mã hiệu là khâu quan trọng của việc chuẩn bị hàng hoá

Bao bì cũng là một yếu tố quan trọng tạo dựng nên giá trị thương hiệu của công ty Thông thường sự liên hệ mạnh nhất của khách hàng với sản phẩm chính

là thông qua bao bì của nó Ví dụ, nếu ta hỏi những người tiêu dùng họ nhớ đến

điều gì khi nhắc đến bia Heineken, thì ta sẽ nhận được câu trả lời phổ biến là “cái chai màu xanh” Như vậy hình thức của bao bì được xem là một công cụ quan trọng trong việc nhận thức và gợi nhớ đến sản phẩm

Cải tiến và đa dạng hoá cấu trúc đóng gói có thể tạo ra những điểm khác biệt quan trọng cho sản phẩm và trong nhiều trường hợp, nó làm tăng đáng kể doanh thu và thị phần Kiểu dáng và hình thức bao gói còn là một công cụ thu hút và lôi cuốn khách hàng, đặc biệt trong những năm gần đây, khi mà xu hướng mua sắm

trong siêu thị ngày càng phổ biến Chúng ta hãy hình dung trong khoảng 30 phút trong siêu thị, khách hàng sẽ lựa chọn như thế nào khi có đến hàng nghìn sản phẩm được bày bán Đối với phần đông khách hàng lần đầu tiên họ nhìn thấy thương hiệu mới là ở cửa hàng hay siêu thị Do đó, nếu công ty nỗ lực nghiên cứu thiết kế bao bì với những điểm khác biệt nổi trội cả về tính năng lẫn hình thức sẽ tạo cho sản phẩm những lợi thế cạnh tranh đáng kể Với lý do đó, đóng gói sản phẩm được xem là cách thức hiệu quả tạo dựng giá trị thương hiệu ở khía cạnh Marketing, nó được gọi là “tác động 5 giây cuối” trong quyết định mua sắm của khách hàng, hay một “công cụ quảng cáo thường xuyên” Ngày nay, các chuyên gia marketing coi bao bì là yếu tố “P” thứ năm trong marketing mix

Do đó sau một thời gian nghiên cứu và được sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của TS Nguyễn Minh Hệ, tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp cao học với tên gọi:

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy đóng gói tự động kiểu đứng cho các sản phẩm dạng hạt rời, năng suất cực đại 40 túi với dung tích 1dcm3/phút

Chương 1 Tổng quan

Trong những năm gần đây, nhu cầu của người tiêu dùng đã thay đổi không ngừng về việc làm sao cho các sản phẩm nông sản, thực phẩm phải ngày càng tiện lợi trong bảo quản và có phẩm chất cao hơn, như tươi hơn, tự nhiên hơn, bổ dưỡng hơn

Dưới đây tóm tắt các nhu cầu của người tiêu dùng và đề ra một số các biện pháp khả dĩ nhằm đáp ứng được các đòi hỏi ấy

* Các nhu cầu chủ yếu:

- Tối thiểu sự quá nhiệt

- ít dùng nhiều hơn các hệ thống bảo quản

- Hạn chế các vi sinh vật gây độc hại

Do đó đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực

đóng gói bảo quản sản phẩm Các công trình nghiên cứu đã đưa ra nhiều giải pháp mới để tiến tới hoàn thiện các yêu cầu cần thiết cho việc đóng gói bảo quản

1.1 Các hình thức, nhân tố ảnh hưởng tới sản phẩm đóng gói:

1.1.1 Các hình thức đóng gói:

Trong buôn bán quốc tế, người ta dùng rất nhiều loại bao bì, các loại thông thường là:

- Hòm (Case, Box): Tất cả những hàng có giá trị tương đối cao, hoặc dễ hỏng đều

được đóng vào hòm Người ta thường dùng các loại hòm gỗ thường (Wooden case), hòm gỗ dán (Plywood case), hòm kép (Douple case) và hòm gỗ dác kim khí (Metallized case) và hòm gỗ ghép (Fiberboard case)

- Bao (Bag): Một số sản phẩm nông nghiệp và nguyên liệu hoá chất thường được

đóng vào bao bì Các loại bao bì thường dùng là: Bao tải (Gunny bag), bao vải bông (Cotton bag), bao giấy (Paper bag) và bao cao su (Rubber bag)

- Kiện hay bì (Bale): Tất cả các loại hàng hoá có thể ép gọn lại mà phẩm chất không bị hỏng thì đều đóng thành kiện hoặc bì, bên ngoài buộc bằng dây thép

- Thùng (Barrel, Drum): Các loại hàng lỏng, chất bột và nhiều loại hàng khác nữa phải đóng trong thùng Thùng có loại bằng gỗ (Wooden barrel), gỗ dán (Plywood barrel), thùng tròn bằng thép (Steel drum), thùng tròn bằng nhôm (Aluminium drum) và thùng tròn gỗ ghép (Fiberboard drum)

- Ngoài mấy loại bao bì thường dùng trên đây, còn có sọt (Crate), bó (Bundle), cuộn (Roll), chai lọ (Bottle), bình (Carboy), chum (Jar)

Các loại bao bì trên đây là bao bì bên ngoài (Outer packing) Ngoài ra còn có bao bì bên trong (Inner packing) và bao bì trực tiếp (Mimediate packing)

Vật liệu dùng để bao gói bên trong là giấy bìa bồi (Cardboard), vải bông, vải bạt (Tarpauline), vải đay (Gunny), giấy thiếc (Foil), dầu (Oil) và mỡ (Grease) Trong bao gói có khi còn phải lót thêm một số vật liệu, thí dụ: Phoi bào (Excelsior, Wood shaving), giấy phếp liệu (Paper waste), nhựa xốp (Stiropore)

có khi vải bông cũng được dùng để lót trong

Trong mấy thập kỷ gần đây, người ta dùng chất tổng hợp để chế ra vật liệu bao gói như các màng mỏng PE, PVC, PP hay PS

Loại bao bì tốt nhất trong bảo quản ngô bao tử là loại màng PE không đục lỗ hay đục lỗ rất nhỏ (Thomson, 1993) Màng không đục lỗ làm giảm hao trọng lượng, giảm hư hỏng, nhưng gây mất mùi thơm Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bao bì tới độ hao trọng lượng của ngô bao tử bảo quản ở 5oC (Mai và cộng

sự, 1999) cho thấy sự khác nhau giữa các loại bao bì Sau 3 tuần bảo quản, hao trọng lượng là 1,5% ở bao bì PP, 2,9% ở PE và 2,4% ở PVC Tổn thất trọng lượng của cải bắp sau 63 ngày bảo quản ở 0oC của mẫu không bao gói là 11%, trong khi đó ở bao gói PVC chỉ là 0,9% (A Folchi, 1996) Cũng theo Geeson (1997) cải bắp bảo quản ở 0oC giảm trọng lượng 6,1% ở mẫu không bao gói, giảm 0,4%

ở mẫu bao gói PVC và 1% ở mẫu bao gói PE

Cano Ochoa (1997) đã chứng minh sự giảm trọng lượng của dưa chuột có liên quan nhiều đến khả năng bảo quản với hệ số tương quan r = 0,69 Dưa chuột càng mất nước nhiều thì khả năng bảo quản càng yếu Bảo quản dưa ở 11oC, độ

ẩm 90-95% sau 3 tuần, giảm trọng lượng với mẫu không bao gói 10% (Snogdon, 1991), 11,2% (Mai, 1998), trong khi đó với bao bì PE chỉ số này rất nhỏ 1,5-2%

1.1.2 Những nhân tố cần được xét đến khi đóng gói:

Yêu cầu chung về đóng gói bao bì là “an toàn, rẻ tiền và thẩm mỹ” Điều này

có nghĩa là: Bao bì phải đảm bảo sự nguyên vẹn về chất lượng và số lượng hàng hoá từ nơi sản xuất đến tay người tiêu dùng Phải đảm bảo hạ giá thành sản phẩm nhưng đồng thời bảo đảm thu hút sự chú ý của người tiêu thụ Khi lựa chọn loại bao bì, loại vật liệu làm bao bì và phương pháp đóng gói phải chú ý xét đến tính chất của hàng hoá (như lý tính, hoá tính, hình dạng bên ngoài, màu sắc, trạng thái của hàng hoá ) đối với sự tác động của môi trường và của điều kiện bốc xếp hàng Ngoài ra, cần xét đến những nhân tố dưới đây:

- Điều kiện vận tải: Khi lựa chọn bao bì, người ta phải xét đến đoạn đường dài,

phương pháp và thời gian của việc vận chuyển, khả năng phải chuyển tải ở dọc

đường, sự chung đụng với hàng hoá khác trong quá trình chuyên chở

- Điều kiện khí hậu: Đối với những hàng hoá giao cho các nước có độ ẩm không

khí cao (tới 90%) và nhiệt độ trung bình tới 30-400C, hoặc hàng hoá đi qua những nước có khí hậu như vậy, bao bì phải là những loại đặc biệt bền vững Thường thường, đó là những hòm gỗ hoặc bằng kim khí được hàn gắn kín Bên trong là lớp giấy không thấm nước và/hoặc màng mỏng PE Những bộ phận chế bằng kim loại, dễ bị han rỉ, cần bôi thêm dầu mỡ ở mặt ngoài

- Điều kiện về luật pháp và thuế quan: ở một số nước, luật pháp cấm nhập khẩu

những hàng hoá có bao bì làm từ những loại nguyên liệu nhất định Ví dụ: ở Mỹ

và Tân Tây Lan, người ta cấm dùng bao bì bằng cỏ khô, rơm, gianh, rạ Một vài nước khác lại cho phép nhập khẩu nếu chủ hàng xuất trình giấy tờ chứng nhận rằng các nguyên liệu bao gói đã được khử trùng Ngoài ra, phương pháp bao bì

đóng gói và vật liệu bao bì đóng gói còn trực tiếp ảnh hưởng tới mức thuế nhập khẩu ở một số nước thuộc khối Liên hiệp Anh Hải quan đòi hỏi phải xuất trình những chứng từ về xuất xứ của bao bì, để áp dụng suất thuế quan ưu đãi cho những hàng hoá nhập khẩu từ các nước trong Liên hiệp Anh Đối với những hàng chịu thuế theo trọng lượng, có một số nước thu thuế theo “trọng lượng tịnh luật

định” là trọng lượng còn lại sau khi đã lấy trọng lượng cả bao bì của hàng hoá trừ

đi trọng lượng bì do hải quan quy định sẵn Trong trường hợp này, rõ ràng trọng lượng của bao bì có thể ảnh hưởng tới mức thuế quan nhập khẩu

- Điều kiện chi phí vận chuyển: Cước phí thường được tính theo trọng lượng cả bì

hoặc thể tích của hàng hoá Vì vậy, rút bớt trọng lượng của bao bì hoặc thu hẹp thể tích của hàng hoá sẽ tiết kiệm được chi phí vận chuyển

1.2 Các máy, thiết bị đóng gói ở việt nam và trên thế giới hiện nay:

Hiện nay có rất nhiều loại máy đóng gói khác nhau, để phân loại chúng người

Tuy nhiên máy đóng gói thông thường người ta phân ra hai dạng

* Máy đóng gói kiểu đứng: Hình dạng túi bao gói được hình thành từ trên

xuống dưới, nguyên vật liệu cho vào túi cũng được cho từ phía trên xuống (hình 2.1)

Hình 2.1 Máy đóng gói kiểu đứng

ưu điểm:

- Kết cấu máy đơn giản

- Kích thước máy nhỏ gọn

- Cơ cấu cấp liệu đơn giản

- Phù hợp với các nguyên liệu dạng dung dịch, bột mịn

- Giá thành chế tạo máy rẻ

Nhược điểm:

- Năng suất máy thấp (<60 túi/phút)

- Vị trí cơ cấu cấp liệu cao do chiều cao máy

* Máy đóng gói kiểu nằm: Hình dạng túi bao gói được hình thành từ trái sang

phải, nguyên vật liệu cho vào túi cũng được đưa vào theo chiều từ trái sang phải (hình 2.2)

Hình 2.2 Máy đóng gói kiểu nằm

ưu điểm:

- Năng suất máy cao ( có thể đạt 200 túi/phút)

- Vị trí cơ cấu cấp liệu thấp

Nhược điểm:

- Kết cấu máy phức tạp hơn kiểu đứng

- Kích thước máy lớn hơn kiểu đứng

- Cơ cấu cấp liệu phức tạp hơn

- Phù hợp với các nguyên liệu dạng đã được định hình trước

- Giá thành chế tạo máy đắt hơn

1.2.1 Các máy, thiết bị đóng gói ở Việt Nam:

Việt Nam hiện nay đang trong giai đoạn công nghiệp hoá hiện đại hoá, ngành công nghiệp đang phát triển với một tốc độ rất lớn Do đó nhu cầu về máy, thiết

bị bao gói là rất lớn Những công trình nghiên cứu thiết kế về máy, thiết bị đóng gói đang bắt đầu phát triển Từ những máy, thiết bị đóng gói cho các loại sản phẩm dạng bột, dạng hạt nhỏ, hạt to cho đến những máy, thiết bị đóng gói chất lỏng, dạng cục Kiểu cách đóng gói cũng rất đa dạng: đóng gói kiểu gối, dạng hình hộp, hình trụ tròn Năng suất máy vừa và nhỏ, giá thành tương đối rẻ phù hợp với chi phí của các công ty sản xuất trong nước hiện nay Tuy nhiên chủ yếu

là do các công ty tự thiết kế, bắt trước các máy thiết bị đóng gói của nước ngoài, chưa có một công trình nghiên cứu cụ thể về máy bao gói của các Viện nghiên cứu hoặc trường đại học

Các máy bao gói hiện nay của các công ty sản xuất trong nước còn có một số

- Đã có một vài công ty nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển tự động hiện nay (Inverter, PLC, Motor Secvor ) tuy nhiên giá thành lại cao tương đương như của nước ngoài

- Chưa chế tạo được máy đóng gói các sản phẩm dạng gối có gấp hông

- Chưa chế tạo được máy đóng gói các sản phẩm dạng cục lớn

- Kích thước bao gói về chiều cao sản phẩm mới chỉ dừng ở mức dưới 85 mm

1.2.2 Các máy, thiết bị đóng gói trên thế giới:

Trên thế giới hiện nay những công trình nghiên cứu thiết kế về máy, thiết bị

đóng gói đã tiến một bước rất xa Từ những máy, thiết bị đóng gói cho các loại sản phẩm dạng bột, dạng hạt nhỏ, hạt to cho đến những máy, thiết bị đóng gói chất lỏng, dạng cục Kích thước sản phẩm đóng gói cũng rất đa dạng từ những gói sản phẩm nhỏ cỡ milimét đến cỡ lớn hàng mét Kiểu cách đóng gói cũng rất

đa dạng: đóng gói kiểu gối, kiểu gối có gấp hông, dạng hình hộp, hình trụ tròn

Hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động từ ngay tại máy cho đến phòng điều khiển trung tâm, liên tục giám sát quá trình sản xuất, tự động loại bỏ những sản phẩm không đạt chất lượng Điều chỉnh thay đổi loại sản phẩm, cấp nguyên liệu, thay thế giấy bao gói dễ dàng, nhanh chóng chỉ bằng thao tác đơn giản trên màn hình điều khiển

Chất lượng máy cao, độ ồn nhỏ, tính ổn định cao, sản phẩm sản xuất ra đồng

đều, chất lượng tốt, năng suất máy cao, chi phí sản xuất thấp cho nên tính hiệu quả kinh tế cao

Tuy nhiên các máy bao gói hiện nay của các nước phát triển còn một số nhược

điểm tồn tại như sau:

- Năng suất lớn và rất lớn chỉ phù hợp với quy mô sản xuất lớn mà ở Việt Nam ta hiện nay công nghiệp đang phát triển cho nên mô hình sản xuất chủ yếu là ở quy mô vừa và nhỏ (các công ty vừa và nhỏ hiện nay ở Việt Nam chiếm tới hơn 80%)

- Chất lượng nguyên liệu, giấy bao gói đòi hỏi phải có chất lượng cao, ổn định,

đồng đều Yêu cầu về nguyên liệu có chất lượng cao, tính ổn định lớn, đồng đều

là rất khó đối với các công ty ở Việt Nam hiện nay Chất lượng sản phẩm rất cao làm cho giá thành lớn khó tiêu thụ trong thị trường nội địa

- Giá thành máy rất cao không phải công ty nào cũng đủ kinh phí để mua

- Người thao tác vận hành đòi hỏi phải có trình độ cao

Trong thời gian làm luận văn tác giả đã đi khảo sát trong và ngoài nước ở trong nước ta hiện nay chỉ có một số ít công ty lớn mới mua thiết bị bao gói tự

động điều khiển của nước ngoài, còn đa số các công ty vừa và nhỏ mua các máy bao gói bán tự động hoặc tự động cơ-điện tử trong nước hoặc bao gói thủ công Các máy bao gói của nước ngoài có giá thành rất cao (như máy bao gói của hãng Casmatic-Pernini của Italia có giá thành lên tới 135 000 Euro cho máy đóng gói kiểu gối có gấp hông năng suất 90 chiếc/phút)

1.4 Đặt vấn đề:

Công nghệ bao gói sản phẩm và máy, thiết bị bao gói sản phẩm đã có từ lâu trên thế giới, cơ bản là giống nhau giữa các nước Tuy công nghệ giống nhau nhưng chất lượng sản phẩm bao gói và chất lượng máy đóng gói trong nước thấp hơn của các nước châu Âu, Mỹ và một số nước châu á mặc dù thiết bị (phần cơ khí) không có sự khác biệt nhiều Sự khác biệt ở đây chủ yếu là:

- Hình dạng và kích thước bao gói: Các máy đóng gói ở trong nước chỉ đóng gói

được các sản phẩm có chiều cao dưới 85 mm, không đóng gói được dạng túi có gấp hông

- Phần điều khiển: Hầu hết các máy đóng gói trong nước chỉ được điều khiển ở mức thấp

ở nước ngoài, các dây chuyền sản xuất sản phẩm thực phẩm (bao gồm cả máy

đóng gói) đã được tự động hoá ở mức cao Điều đó cho phép tự động điều chỉnh kịp thời các chế độ công nghệ theo những thay đổi do yêu cầu sản xuất Trong thời gian làm luận văn, chúng tôi đã tham quan khảo sát tại một số nhà máy chế tạo máy ở Trung Quốc, hội chợ máy, thiết bị quốc tế tổ chức tại Côn Minh, tỉnh Vân Nam, Trung Quốc

Qua các tạp chí (tạp chí Khoa học, Thông tin khoa học kỹ thuật, Hoạt động khoa học, Khoa học công nghệ, Tự động hoá ngày nay, Khoa học ngày nay, Tuyển tập công trình khoa học ), Tham quan khảo sát trong nước (hội chợ Công nghệ và Thiết Bị Việt Nam năm 2005- Techmart Viet Nam 2005 tại Thành phố

Hồ Chí Minh) chúng tôi nhận thấy các nhà nghiên cứu trong nước đã quan tâm

đến vấn đề nâng cấp công nghệ đóng gói Tuy vậy, vấn đề nâng cao chất lượng sản phẩm đóng gói, hiệu quả quá trình đóng gói, tăng kích thước túi bao gói và hình dạng túi bao gói bằng giải pháp tự động hoá hiện đại ở trong nước chưa

được quan tâm nghiên cứu đúng mức (trong 5 năm gần đây chưa có công trình nào về lĩnh vực này được công bố)

Vì vậy chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy

đóng gói tự động kiểu đứng cho các sản phẩm dạng hạt rời, năng suất cực đại 40 túi với dung tích 1dcm3/phút” Đây là đề tài nghiên cứu có tính khoa học thực tiễn, cho phép ứng dụng rộng rãi đem lại hiệu quả kinh tế

Trong khuôn khổ của luận văn này tôi trình bày về những nội dung chính sau:

- Thiết kế chế tạo máy đóng gói kiểu đứng

- Thiết lập hệ điều khiển tự động giám sát xử lý dữ liệu

- Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số nhiệt động học của máy đóng gói

đến chất lượng sản phẩm

Chương 2: Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

2.1 truyền nhiệt trong máy đóng gói:

2.1.1 Sơ lược về truyền nhiệt:

Lý thuyết trao đổi nhiệt hay còn gọi tắt là truyền nhiệt nghiên cứu các dạng và các quy luật trao đổi nhiệt giữa các vật thể có nhiệt độ khác nhau Dựa vào các quy luật trao đổi nhiệt, chúng ta có thể xác định được nhiệt lượng trao đổi giữa các vật và nhiệt lượng phân bố trong các vật Khi nghiên cứu truyền nhiệt, chúng

ta phải dựa trên cơ sở hai định luật nhiệt động kỹ thuật Dựa vào Định luật nhiệt

động 1 ta xác định được sự cân bằng năng lượng, dựa vào định luật 2 để xác định phương hướng và chiều của quá trình truyền nhiệt

Sự trao đổi nhiệt giữa các vật là một quá trình phức tạp Để để nghiên cứu người ta chia nó ra làm 3 dạng trao đổi nhiệt cơ bản

- Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt

- Trao đổi nhiệt đối lưu

- Trao đổi nhiệt bức xạ

* Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt:

Là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật hay giữa các phần có nhiệt

độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau Muốn có quá trình dẫn nhiệt thì phải

có sự chênh lệch nhiệt độ và phải tiếp xúc với nhau

Quá trình dẫn nhiệt có thể xảy ra trong vật rắn, lỏng, khí tuy nhiên chỉ có trong vật rắn mới xảy ra quá trình dẫn nhiệt thuần tuý còn trong chất lỏng và chất khí còn có trao đổi nhiệt đối lưu hoặc bức xạ

Đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật thể được gọi là hệ số dẫn nhiệt λ Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ bậc nhất:

λ = λ0 ( 1 + bt ) λ0 : hệ số dẫn nhiệt ở 00 C

Hầu hết các chất có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng

Đồng thời hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào bản chất của các chất:

λrắn > λlỏng >λkhí

* Trao đổi nhiệt bức xạ:

Là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ

Ta biết rằng khi mọi vật có nhiệt độ không tuyệt đối (00 K) thì các phân tử, nguyên tử luôn giao động điện là các bức xạ năng lượng Trong kỹ thuật nhiệt người ta chỉ nghiên cứu những tia bức xạ ở nhiệt độ thường gặp, chúng có hiệu quả nhiệt cao Tia bức xạ nhiệt gồm các tia sáng (λ = 0,4 ữ 0,8 àm) và các tia hồng ngoại (λ = 0,4 ữ 400 àm) Quá trình phát sinh và truyền đi các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt dưới dạng tia bức xạ gọi là trao đổi nhiệt bức xạ Như vậy trao đổi nhiệt bức xạ liên quan đến hai lần chuyển biến năng lượng Từ nhiệt năng biến thành năng lượng bức xạ và từ năng lượng bức xạ biến thành nhiệt năng Khác với dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt

đối lưu, cường độ trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của các vật, nghĩa là nếu quá trình tiến hành ở nhiệt độ càng cao thì vai trò của trao đổi nhiệt bức xạ càng lớn Một vật không chỉ có khả năng bức xạ mà còn có thể hấp thụ năng lượng bức xạ Khi một dòng bức xạ (Q) đập tới bề mặt vật thể thì một phần bị phản xạ (QR), một phần được hấp thụ (QA) và một phần xuyên qua Để đặc trưng cho khả năng này người ta đưa ra các hệ số sau :

Hệ số hấp thụ : A=

Q

Q A

* Trao đổi nhiệt đối lưu:

Là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động của chất lỏng hoặc không khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau Vì trong khối chất lỏng hay chất khí không thể không có các phần tử khác nhau tiếp xúc với nhau, do đó trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt trong chất lỏng hay chất khí Vì quá trình

đối lưu luôn gắn liền với chuyển động của chất lỏng hay chất khí do những nhân

tố ảnh hưởng đến chuyển động, chuyển động của chất lỏng và khí đều ảnh hưởng

đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu

Chuyển động chất lỏng hoặc chất khí có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau

và từ đó ta phân thành chuyển động tự do hay chuyển động cưỡng bức Chuyển

động tự nhiên là chuyển động gây ra bởi độ chênh lệch mật độ (khối lượng riêng) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau Chuyển động tự nhiên phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng hay chất khí và độ chênh lệch giữa các vùng Độ chênh nhiệt

độ càng lớn thì độ chênh mật độ càng cao và do đó chuyển động đối lưu tự nhiên càng mạnh Trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng với chuyển động tự nhiên gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Chuyển động cưỡng bức là chuyển động gây ra bởi ngoại lực để làm chất lỏng, khí chuyển động Trong chuyển động cưỡng bức bao giờ cũng kèm theo chuyển động tự nhiên do trong chất lỏng, chất khí luôn có

sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần tử, các vùng Khi cường độ dòng cưỡng bức

lớn thì ảnh hưởng của dòng tự nhiên tới nó có thể bỏ qua Trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng với chuyển động cưỡng bức gọi là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức Tuy có sự đối lưu trong chất lỏng hoặc khí, nhưng do ma sát giữa các chất lỏng với nhau và với bề mặt vách truyền nhiệt làm cho trên bề mặt vách truyền nhiệt luôn có một lớp mỏng chất lỏng chảy tầng (lớp đệm tầng) làm giảm tốc độ truyền nhiệt Chiều dầy lớp đệm tầng phụ thuộc vào chế độ dòng chảy và độ nhớt của chất lỏng Nếu tốc độ dòng chảy lớn, độ nhớt nhỏ thì chiều dày lớp đệm tầng

bé tức là tốc độ trao đổi nhiệt tăng Do đó để đạt được hiệu suất trao đổi nhiệt đối lưu cao thì chế độ chảy của các dòng lỏng, khí phải ở chế độ chảy rối (Re

>2300) Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu còn phụ thuộc vào các tính chất vật lý của chất lỏng hoặc chất khí như: khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng C, hệ số dãn nhiệt λ, hệ số dẫn nhiệt a, độ nhớt động học ν, hay độ nhớt động lực à và hệ

số giãn nở thể tích β Ngoài ra quá trình trao đổi nhiệt đối lưu còn phụ thuộc vào các thông số về kích thước hình học, hình dạng, vị trí và độ nhám bề mặt của thiết bị

2.1.2 Truyền nhiệt trong máy đóng gói:

Trong máy đóng gói truyền nhiệt chỉ có ở khâu dán vật liệu đóng gói ở đây truyền nhiệt chỉ là truyền nhiệt tiếp xúc giữa điện trở toả ra đến vật liệu túi bao gói thông qua thanh dán Thông thường điện trở được đốt nóng dẫn nhiệt qua thanh dán truyền nhiệt trung gian tới vật liệu bao gói Thanh dán trung gian thường được chế tạo bằng đồng và hợp kim của đồng do đồng có hệ số truyền nhiệt cao, gia công tạo hình mối dán dễ dàng, mối dán đẹp, độ bền của thanh dán cao, không bị han gỉ trong môi trường tự nhiên Trên thế giới đã có nhiều

nghiên cứu về vấn đề nhiệt độ cho vật liệu bao gói Dưới đây là bảng nhiệt độ cho một số vật liệu bao gói đang được áp dụng vào sản xuất ở các công ty hiện nay:

Bảng 2.1 Nhiệt độ dán của một số loại vật liệu bao gói

“Nguồn: Công ty cổ phần bánh kẹo Tràng An”

Đây là một thị trường có mức độ tăng trưởng nhanh, trung bình khoảng 5%/năm với doanh thu trên toàn cầu năm 2005 ước đạt trên 9,5 tỷ USD so với 7,8 tỷ USD năm 2000 (Theo số liệu của ARC Advisor Group)

Một điều cũng đáng lưu ý ở đây là giá cả phần cứng ngày càng giảm đi nhưng chức năng của nó ngày càng nhiều hơn, đồng thời khi lượng phần cứng bán ra đang giảm thì lượng phần mềm và các dịch vụ đi kèm lại tăng lên đáng kể

Về mặt kỹ thuật, hệ tự động hoá quá trình sản xuất thực hiện được các chức năng điều khiển truyền thống Các chức năng đó bao gồm kết hợp điều khiển giám sát và thu thập số liệu, điều khiển theo mẻ, khối, điều khiển liên tục, điều khiển lai, điều khiển chất lượng Các chức năng này được thực hiện qua sự kết hợp các phần cứng, phần mềm và các dịch vụ khác nhau Các hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất xuất hiện trong những năm gần đây đều có một số đặc điểm chung:

- Tính mở

- Các giao thức truyền thông được chuẩn hoá, tốc độ truyền dữ liệu cao

- Có hệ thống bus trường (Fieldbus) kết nối từ các bộ điều khiển xuống các bộ vào/ra phân tán hoặc các thiết bị trường thông minh

- Tính tích hợp hệ thống cao

Nhận dạng yêu cầu công nghệ sản xuất dưới góc độ điều khiển: Các nhà máy

có công nghệ liên tục từ đầu đến cuối quá trình sản xuất Đầu vào là các nguyên liệu, đầu ra là sản phẩm Đặc điểm nhà máy loại này là công nghệ có độ phức tạp cao, số lượng các thiết bị và tín hiệu phục vụ điều khiển lớn Quá trình khởi động hay dừng là thực hiện cho cả dây chuyền Nếu một khâu nào đó dừng sẽ dẫn đến phải dừng cả dây chuyền hoặc khi một khâu nào đó mất ổn định cũng dẫn đến toàn bộ quá trình mất ổn định, sản phẩm ra không đảm bảo chất lượng Các ngành tiêu biểu có thể kể ra đây là: ngành giấy, ngành hoá dầu, hoá chất, nhiệt

điện, Một đặc điểm nữa là trong công nghệ cần điều khiển rất nhiều các tham

số dạng tương tự: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, tốc độ, tỷ lệ các thành phần, Các

tham số này có quan hệ chặt chẽ, tác động đa chiều, biến đổi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm

Hình 2.1

Hệ thống điều khiển sản xuất liên tục có những đặc điểm sau:

- Là hệ đa thông số, nhiều đầu vào/ra (MIMO), nhiều mạch vòng điều chỉnh

- Là hệ thống số dải, các thông số biến thiên lớn

- Phần lớn các đối tượng điều khiển là phi tuyến

Từ các đặc điểm trên ta thấy hệ điều khiển cho hệ thống sản xuất liên tục phải

có khả năng thực hiện các chức năng:

- Điều khiển tối ưu, thích nghi, điều khiển, theo mô hình dự báo, điều khiển thông minh

- Điều khiển bền vững

- Điều khiển chất lượng

Hệ thống điều khiển bao giờ cũng gắn liền với công nghệ sản xuất Mỗi công nghệ có đặc trưng và yêu cầu riêng đặt ra cho hệ thống điều khiển Như vậy, với mỗi công nghệ sản xuất cần có những hệ thống điều khiển phù hợp, đáp ứng tốt nhất yêu cầu công nghệ

Hiện nay trên thế giới người ta chia ra các hệ điều khiển sau:

- Hệ điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System):

Hệ thống điều khiển trong nhà máy phải đảm bảo được các yêu cầu rất cao tính an toàn và tin cậy Mỗi sự cố xảy ra không những chỉ gây thiệt hại lớn về kinh tế mà còn nguy hiểm về tính mạng con người và ảnh hưởng đến môi trường Trong các nhà máy này cũng có các khâu điều khiển gián đoạn để điều khiển logic liên động và trình tự làm việc của các thiết bị

Trong lĩnh vực này từ trước đến nay, các hệ điều khiển duy nhất vẫn là hệ điều khiển phân tán DCS Một số hệ DCS có thể kể ra đây như: Centum CS 3000, Bailey infi-90, Foxboro I/A, ABB Advant OCS

Hệ DCS có các ưu điểm sau:

- Khả năng quản lý các đầu vào/ra analog rất tốt Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững, theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neurul,

điều khiển chất lượng(QCS)

- Khả năng truyền thông: hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Hiện nay các giao thức này đã được chuẩn hoá (Profibus, Foundation FieldBus)

- Độ tin cậy rất cao nhờ có khả năng dự phòng: dự phòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ (controller, modul I/O, bus truyền thông), khả năng thay đổi chương trình (sửa chữa và download), thay đổi cấu trúc của hệ, thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online)

- Cơ sở dữ liệu trong hệ là cơ sở dữ liệu lớn có tính toàn cục và thống nhất

- Khả năng mở rộng, tính tích hợp cao

- Tuổi thọ của ứng dụng lớn (15- 20 năm)

Tất cả những đặc điểm trên cho thấy một hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu

về một giải pháp tự động hoá tích hợp tổng thể Các chuyên gia cho rằng, hiện nay, DCS vẫn là không thể thay thế được trong các ứng dụng lớn, vì vậy, năm qua thị trường các hệ DCS toàn cầu tăng trưởng 2-3%/năm

- Hệ điều khiển PLC - SCADA (Programmable logic controler):

Các nhà máy mà quá trình công nghệ có thể chia thành các công đoạn gián

đoạn, độc lập với nhau Có thể kể ra ở đây là các ngành như lắp ráp ô tô, gia công, chế biến thức ăn chăn nuôi, chế biến thực phẩm Một nhà máy kiểu này thường phân chia thành các khu vực theo chức năng và trong mỗi khu vực lại có thể chia nhỏ hơn nữa Mỗi khu vực có thể có một hệ điều khiển riêng Các tín hiệu điều khiển chủ yếu là tín hiệu digital, dùng để liên động giữa các khâu, đóng cắt cho động cơ, đóng mở van theo một sơ đồ logic cho trước Trong nhà máy, yêu cầu về tính an toàn và độ tin cậy không cần thiết phải chặt chẽ như trong nhà máy có quá trình xử lý liên tục

Giải pháp vẫn được sử dụng là các PLC (Programmable Logic Controller) Ưu

điểm của PLC là xử lý các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng quét nhỏ (cỡ às – ms/vòng) rất nhanh so với vòng quét một hệ DCS

Các nhà máy trong đó có tồn tại cả hai loại quá trình liên tục và gián đoạn,ví dụ: xi măng, dược phẩm, thực phẩm và bia rượu, sản xuất linh kiện bán dẫn, Trong nhà máy chia thành các công đoạn độc lập, mỗi công đoạn có thể là một quá trình liên tục và cũng có thể là gián đoạn Ta có thể khởi động hay dừng từng công đoạn mà không làm ảnh hưởng tới công đoạn khác Các nhà máy loại này

và sản phẩm của nó chiếm một tỉ trọng lớn trong ngành công nghiệp

- Hệ điều khiển lai NCS (Network Control System), hay PCS (Process Control System):

Các bộ điều khiển lai là sự pha trộn giữa hai giải pháp DCS và PLC Không phải ngẫu nhiên chúng hướng tới các ngành công nghiệp lai đang phát triển nhanh, lợi nhuận cao như thực phẩm, rượu bia, dược phẩm, chất bán dẫn Các hệ lai thực hiện điều khiển cả quá trình liên tục cũng như các khâu gián đoạn Chúng được trang bị các chức năng để cạnh tranh trong thị trường điều khiển các quá trình theo mẻ, khối và điều khiển giám sát

Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: CQM1H - (Omron), DeltaV (Fisher- Rosemount), Plantscape (Honeywell), Micro I/A (Foxboro), Simatic PCS7 (Simens), Centum CS 1000 (Yokogawa)

Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên hệ điều khiển lai có nhiều ưu điểm đối với các ứng dụng công nghệ lai Các hệ lai có chức năng đa dạng, có thể thực hiện được hầu hết các chức năng của một hệ DCS Hiện nay các nhà máy đang chuyển từ môi trường điều khiển tích hợp DCS/PLC sang một hệ điều khiển lai để có một môi trường điều khiển chung và

tích hợp trên một cơ sở dữ liệu Việc tích hợp lại thành cơ sở dữ liệu duy nhất trong một hệ điều khiển quá trình và điều khiển gián đoạn là một thuận lợi lớn, giảm chi phí lắp đặt và vận hành

2.2.2 Hệ thống điều khiển tự động trong máy đóng gói:

Điều khiển tự động trong máy đóng gói được chia thành các công đoạn gián

đoạn, độc lập với nhau Có thể kể ra ở đây như: Công đoạn cấp liệu, công đoạn cấp vật liệu đóng gói, công đoạn tạo hình túi, công đoạn dán, cắt .Một máy

đóng gói thường phân chia thành các cụm cơ cấu theo chức năng và trong mỗi cơ cấu lại có thể chia nhỏ hơn nữa Mỗi cơ cấu có thể có một hệ điều khiển riêng Các tín hiệu điều khiển chủ yếu là tín hiệu digital, dùng để liên động giữa các khâu, đóng cắt cho động cơ, đóng mở van theo một sơ đồ logic cho trước Giải pháp tốt nhất vẫn được sử dụng là các PLC (Programmable Logic Controller) Ban đầu PLC chỉ quản lý được các đầu vào/ra số Quá trình phát triển, ngày nay PLC đã được bổ sung thêm nhiều chức năng:

- Khả năng quản lý đầu vào/ra analog

- Khả năng truyền thông: nhiều PLC hiện nay hỗ trợ các giao thức truyền thông công nghiệp chẳng hạn như : PROFIBUS, AS-i, DeviceNet

- Các đặc điểm trên giúp cho PLC có thể nối mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn (hệ DCS), kết nối với máy tính có phần mềm HMI tạo thành hệ PLC/HMI để điều khiển, giám sát và thu thập số liệu SCADA

2.3 Truyền động khí nén trong máy đóng gói:

2.3.1 Sơ lược về hệ thống truyền động khí nén:

Các hệ thống truyền động khí nén hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ và kỹ thuật, như trong chế tạo máy, luyện kim, giao thông hàng

hải và hàng không, ngành in, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hoá chất Chúng được sử dụng dưới dạng các hệ truyền động kẹp giữ, vận chuyển, nâng hạ, phanh hãm, các cơ cấu tự động hoá, thiết bị đo kiểm Các hệ khí nén được sử dụng rộng rãi như vậy bởi có nhiều ưu điểm mà các loại hệ truyền động khác không có được đó là:

- Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản,

- Độ tin cậy làm việc cao

- Độ an toàn làm việc cao trong các môi trường dễ cháy, nổ, có thể làm việc cả trong môi trường khắc nghiệt (phóng xạ, hoá chất )

- Có thể thoả mãn với đa số các yêu cầu của nhiều hệ thống tự động hoá công nghiệp

Nhược điểm lớn nhất của hệ thống truyền động khí nén là tính nén được của không khí khá lớn do đó dễ xảy ra va đập ở cuối các hành trình, việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng ở các vị trí trung gian cũng khó thực hiện được chính xác như đối với các hệ thống thuỷ lực

Tuy nhiên nhược điểm của truyền động khí nén có thể được giải quyết bằng phương pháp hãm dừng nhẹ nhàng ở cuối các hành trình Một trong những phương pháp hãm cơ bản là tạo đệm khí đối áp cuối các hành trình bằng cách làm giảm đột ngột tiết diện đường xả

2.3.2 Truyền động khí nén trong máy đóng gói

Trong máy đóng gói truyền động khí nén thường được dùng rất nhiều trong việc cấp, xả liệu, kẹp giữ sản phẩm, kẹp giữ vật liệu bao gói Khuynh hướng sử dụng kết hợp các hệ thống điện - điện tử và khí nén cho phép mở rộng một cách

đáng kể lĩnh vực ứng dụng các hệ thống truyền động khí nén Xu hướng nghiên

cứu ứng dụng khí nén trong công nghiệp chế tạo thiết bị đóng gói đang là hướng nghiên cứu mới nhất hiện nay của các nước phát triển vì các lý do sau:

- Độ tin cậy làm việc của các cơ cấu chấp hành khí nén rất cao, ổn định

- Kết cấu truyền động khí nén đơn giản, dễ tháo lắp

- Các cơ cấu khí nén được chuẩn hoá, tính lắp lẫn cao

- Độ an toàn làm việc cao trong môi trường khắc nghiệt: Nhiệt độ, áp suất kể cả trong môi trường phóng xạ

- Điều khiển đơn giản, dễ dàng, đặc biệt là kết hợp với các hệ thống tự

động điều khiển (PLC)

- Phù hợp với nhiều yêu cầu đặc biệt của hệ thống tự động hoá tiên tiến hiện nay

Chương 3: thiết kế chế tạo máy đóng gói tự động kiểu đứng 3.1 Thiết kế chế tạo phần cơ khí

3.1.1 Thiết lập mô hình máy đóng gói

Như đã đề cập trong mục đặt vấn đề, ở đây chúng tôi lựa chọn thiết kế chế tạo máy đóng gói kiểu đứng cho các sản phẩm dạng hạt rời, năng suất cực đại 40 túi với dung tích 1dcm3/phút

- Hình dạng túi bao gói: hình trụ tròn

- Kiểu dáng: túi dán kiểu gối có gấp hông hai bên

- Kích thước túi bao gói: + Đường kính: Φ 80 ữ Φ145 mm

+ Chiều dài túi dán: 50 ữ 300 mm

- Năng suất máy: 40 ữ 45 túi / phút

- Kiểu máy: Máy đóng gói kiểu đứng

- Truyền động: + Cấp liệu: khí nén

+ Cấp vật liệu bao gói: động cơ điện

+ Cơ cấu dán, gấp hông và cắt: khí nén

Xuất phát từ những yêu cầu trên chúng tôi đưa ra sơ đồ công nghệ của máy đóng gói gồm có các modun sau:

1 Modun cấp liệu

2 Modun cấp nhãn bao gói

Hình 3.1 Sơ đồ khối máy bao gói

băng tải

tủ

điện

điều khiển

cơ cấu dán dọc

cơ cấu dán ngang và cắt

cơ cấu gấp hông cơ cấu cấp giấy bao gói

Hình 3.3 Nguyên lý máy đóng gói kiểu đứng

Theo nguyên lý của sơ đồ (hình 3.3), nguyên liệu được cho vào phễu cấp liệu của cơ cấu cấp liệu Tại đây nguyên liệu được chảy vào cốc đong nằm trên một

đĩa quay Lưu lượng nguyên liệu chảy vào cốc đong được điều chỉnh bởi cơ cấu dẫn liệu là một chổi quét hình tròn có gắn các sợi bằng vật liệu polyme chuyển

động quay tròn nhờ một động cơ Ngoài ra ở đây còn có 01 van đóng mở cửa cấp liệu được điều khiển bởi một xy lanh khí nén Nguyên liệu sau khi đã được chảy vào cốc đong ở vị trí cấp liệu được di chuyển tới vị trí rót liệu nhờ 01 xy lanh góc quay 4 vị trí

Giấy bao gói được lắp vào trục trượt ma sát, từ đây giấy gói được tách ra đưa qua cơ cấu tời Cơ cấu tời có nhiệm vụ dẫn giấy bao gói và làm căng tờ giấy bao gói Giấy bao gói từ cơ cấu tời được dẫn qua cơ cấu điều chỉnh vị trí tờ giấy bao gói và tới phom định hình túi nhờ các suốt dẫn Cơ cấu điều chỉnh vị trí giấy bao gói có nhiệm vụ điều chỉnh vị trí điểm đen trên giấy bao gói trùng khớp với vị trí dao cắt ngang

Giấy bao gói được kéo qua phom định hình túi nhờ 02 cặp bánh tỳ được lắp

đặt gần vị trí phom định hình 02 cặp bánh tỳ chuyển động nhờ 01 động cơ được

điều khiển bằng biến tần

Sau khi qua phom định hình túi, giấy bao gói sẽ có dạng hình ống Hai mép giấy bao gói sẽ được dán dính lại với nhau thông qua cơ cấu dán dọc Cơ cấu dán dọc ở đây bao gồm 02 điện trở nhiệt được chuyển động tịnh tiến ra vào nhờ xy lanh khí nén

Cơ cấu gấp hông ở vị trí ngay phía dưới cơ cấu dán dọc có nhiệm vụ tạo hình gấp hông cho túi và kẹp giữ cho cơ cấu dán ngang và cắt thành từng túi sản phẩm Cơ cấu gấp hông được điều khiển thông qua 02 xy lanh hai đầu cần Một

đầu có nhiệm vụ đẩy thanh thép vào vị trí ở giữa tâm của ống giấy Đầu còn lại

có nhiệm vụ vuốt ống bao gói cho thẳng ra

ống giấy bao gói sau khi được dán dọc, gấp hông thì được dán ngang và cắt thành túi ở vị trí cơ cấu dán ngang và cắt Cơ cấu dán ngang bao gồm 02 thanh

điện trở nhiệt được gắn trên một thanh đồng có nhiệm vụ truyền nhiệt từ thanh

điện trở tới vật liệu cần dán ở giữa thanh đồng có gắn một lưỡi dao có nhiệm vụ: sau khi giấy bao gói được dán ngang thì cắt rời giấy bao gói ra tạo thành túi sản phẩm Cơ cấu dán ngang có nhiệm vụ dán mép trên của túi sau và mép dưới của túi sản phẩm trước cùng một lúc Sản phẩm sau đó được dẫn ra bằng băng tải

3.1.2 Tính toán cơ cấu cấp liệu:

Có rất nhiều dạng nguyên lý cấp liệu cho máy đóng gói: nguyên lý cốc đong, nguyên lý cân băng tải Do bài toán ở đây đặt ra là đóng gói các sản phẩm dạng hạt rời nên ở đây ta chọn nguyên lý cấp liệu dạng cốc đong (hình 3.4) Nguyên lý cấp liệu dạng cốc đong có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

Để tính toán kích thước hình học, năng suất của thùng cấp liệu ta dựa vào công thức tính toán của “Cơ sở thiết kế máy sản xuất thực phẩm”, Chương XVII: những máy định lượng các cấu tử sản phẩm thực phẩm

Năng suất của thùng cấp liệu:

Q = 3600fvkγ, kg/h

Trong đó:

f - diện tích tiết diện của lỗ, m2

v - tốc độ trung bình của sản phẩm chảy qua lỗ, m/s

k - hệ số nạp đầy của lỗ ra

'

ϕo – góc nghiêng tự nhiên của sản phẩm ở trạng thái tĩnh

Đối với hạt rời nhỏ thì đại lượng n’ có thể dao động trong những giới hạn rộng: đối với sản phẩm cục n’=1 đến 2

Hệ số nạp đầy của lỗ ra k phụ thuộc vào trọng lượng thể tích và thành phần cỡ hạt của vật liệu Trung bình k lấy bằng 0,7 Trọng lượng thể tích của sản phẩm càng lớn và thành phần của nó đồng đều thì đại lượng k càng lớn

Từ phương trình

v D n m/s

60 ' π

có thể xác định kích thước thùng định lượng

Do bài toán đặt ra kích thước túi bao gói có đường kính Φ 110 mm chiều cao túi từ 50 đến 200 mm, nên ở đây ta chọn cốc đong có kích thước Φ 110mm chiều cao cốc đong 150 mm

Sử dụng xy lanh khí nén góc quay 4 vị trí nên ta dùng 4 cốc đong để cấp nguyên liệu

Với đường kính cốc đong trên và số lượng cốc đong là 4 nên ta chọn đường kính đĩa quay là 600 mm

Do vấn đề an toàn trong sản xuất, chế biến thực phẩm, dựa vào [Sổ tay vật liệu kim loại] nên ở đây ta chọn vật liệu máng chứa liệu, các cơ cấu có tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu đầu vào là vật liệu Inox (1 X 13), cốc đong là vật liệu UHMWPE

Dựa vào [Sổ tay vật liệu kim loại], Phương pháp tính lực tải trọng động, tải trọng tĩnh và kích thước hình học do yêu cầu công nghệ ta tính toán được chiều dày vật liệu

Kết quả tính toán:

- Thể tích phễu chứa liệu: 0,5 m3

- Kích thước cửa thoát liệu: 150 x 100 x 250 mm (Dài x Rộng x Cao)

- Kích thước cốc đong: đường kính Φ110 mm, cao 150 mm

- Số lượng cốc đong: 4

- Đường kính đĩa cấp liệu: Φ 600 mm

- Công suất động cơ cấp liệu: 150 W

- Xylanh cấp liệu 1: 50/100 mm (kích thước xylanh/hành trình xylanh)

- Xy lanh cấp liệu 2: 40/270 (kích thước xy lanh/góc độ quay lớn nhất)

Bản vẽ chính được trình bày trong phần phụ lục 1

H×nh 3.4: C¬ cÊu cÊp liÖu