Tài liệu Nghiên cứu quy trình công nghệ và thiết kế 3d mô hình sản xuất bánh tráng bía tự động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu quy trình công nghệ và thiết kế 3D mô hình sản xuất bánh tráng bía tự động Mã số đề tài: T-CK-2012-05 Thời gian thực hiện: 12 tháng Chủ nhiệm đề tài: Phạm Quang Trung Trần Doãn Sơn Cán bộ tham gia đề tài: Trần Nguyễn Duy Phương Trần Ngọc Phước Thạnh Nguyễn Thanh Tùng Nguyễn Việt Đức Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 01/2013 Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài (Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm) 1. 2. 3. 4. PGS.TS. Trần Doãn Sơn, BM Chế Tạo Máy, Khoa Cơ khí. ThS. Phạm Quang Trung, BM TB&CN VLCK, Khoa Cơ khí. TS. Trần Nguyễn Duy Phương, BM Chế Tạo Máy, Khoa Cơ khí. KS. Trần Ngọc Phước Thạnh, BM TB&CN VLCK, Khoa Cơ khí. 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................ 2  I. Tổng quan đề tài .................................................................................................... 3  1.1 Tổng quan về bánh tráng bò bía...................................................................... 3  1.2 Quy trình sản xuất bán tráng thủ công............................................................ 4  1.3 Lựa chọn loại bột ............................................................................................ 6  II. Sơ đồ nguyên lý thiết kế....................................................................................... 8  2.1 Sơ đồ nguyên lý .............................................................................................. 8  2.2 Lựa chọn phương án thiết kế ........................................................................ 15  III. Thông số công nghệ của máy ........................................................................... 16  3.1 Thông số công nghệ của máy và yêu cầu khách hàng .................................. 16  3.2 Sơ đồ động của máy...................................................................................... 16  IV. Kết quả của đề tài ............................................................................................. 18  4.1 Kết quả của đề tài.......................................................................................... 18  4.2 Báo cáo tài chính đề tài................................................................................. 22  4.3 Bài báo cáo tại Hội nghị Khoa học Trẻ ĐHQG TPHCM lần 1 .................... 23  V: Kết luận và kiến nghị ......................................................................................... 28  Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 29  Phụ lục A. Bản vẽ chế tạo máy sản xuất bánh tráng bía......................................... 31  2 I. Tổng quan đề tài 1.1 Tổng quan về bánh tráng bò bía Bánh tráng bò bía đã xuất hiện ở Việt Nam đã hơn 100 năm nay. Bánh này là món cuốn có nguồn gốc từ Triều Châu (Phúc Kiến, Trung Quốc) và được du nhập vào Việt Nam nhờ cộng đồng người hoa sống ở khu vực miền nam. Không chỉ nổi tiếng ở Việt Nam, bánh tráng bò bía còn được khá ưu chuộng tại một số nước khác trong khu vực châu Á như Đài Loan, Singapore và Malaysia. Hiện nay vỏ bánh tráng bò bía ngày càng phổ biến. Trong mấy năm gần đây loại bánh tráng này càng ngày càng được ưu chuộng và hiện nay sản xuất (thủ công) càng ngày càng rầm rộ. Công nghệ sản xuất hoàn toàn khác với bánh tráng thông thường. Các làng nghề sản xuất bánh tráng bò bía phân bố rộng rãi ở các tỉnh miền Tây, và mặt hàng của nó đã được phân bố rộng rãi khắp mọi nơi nhưng nhiều nhất vẫn là khu vực phía Nam. Tại TPHCM, ta có thể mua vỏ bánh tráng bò bía ở các tạp hóa trong các khu chợ như Chợ Kim Biên, Chợ Lớn, Chợ Bình Tây… Tuy nhiên, hiện nay khó khăn lớn nhất của các cơ sở sản xuất là vấn đề về kỹ thuật, an toàn vệ sinh thực phẩm. Đa số các cơ sở sản xuất đều ở dạng sản xuất thủ công nên năng suất thấp, chất lượng sản phẩm còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề của công nhân. Vỏ bánh thường có màu vàng nhạt, mỏng, dai, và nghe mùi thơm của bột mì. Dạng bánh hiện nay có dạng hình tròn do làm bằng thủ công. Kích thước trung bình của vỏ bánh từ 16 cm đến 20 cm. Hiện nay trên cả nước có hơn 40 cơ sở sản xuất thủ công vỏ bánh tráng bò bía, chưa có cơ sở nào có máy làm bánh tráng bò bía. Nhiều cơ sở rất mong muốn có thiết bị sản xuất tự động để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng và vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm trong xuất khẩu hàng hóa. Vấn đề đối với các thiết bị này là kích thước, tính thẩm mĩ nhưng đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Vì thế, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị đáp ứng yêu cầu nói 3 trên là đòi hỏi của ngành cơ khí chế biến thực phẩm. Hiện nay công ty Daiei Engineering Co.Ltd. Nhật Bản là công ty đã chế tạo hàng loạt máy làm bánh từ bột tự động và có một số mẫu máy có thể sử dụng để chế tạo vỏ bánh tráng bò bía. Tuy nhiên giá của các máy móc trên không hề rẻ và các chính sách hậu mãi và bảo trì đã là rào cản để thị trường Việt Nam tiếp cận tới. Do vậy việc thiết kế và chế tạo thành công được các máy chế biến thực phẩm sẽ là cơ hội vàng cho ngành chế biến máy cơ khí phục vụ cho ngành chế biến thực phẩm ở Việt Nam [1,5]. 1.2 Quy trình sản xuất bán tráng thủ công Dạng bánh hiện nay có dạng hình tròn do làm bằng thủ công. Kích thước trung bình của vỏ bánh từ 16 cm đến 20 cm. Tùy theo mỗi vùng, mỗi nơi sản xuất mà vỏ bánh có thể có kích thước khác một ít. Công nghệ chế biến vỏ bánh tráng bò bía có thể khái quát thành những công đoạn như hình 1. [7] Cân đong nguyên liệu: Đây là một công đoạn rất quan trọng để xác định được độ dẻo và dai của bánh. Theo kinh nghiệm của người làm bánh thì nguyên liệu trước khi đưa vào sản xuất gồm bột mì(85%), bột gạo (10%) và các nguyên liệu khác (bột đậu xanh, men, trứng…) theo một tỉ lệ thích hợp. Các nguyên liệu này được trộn với một ít nước để thành bột ướt (dẻo như kẹo kéo), tỉ lệ là 1kg bột khô và 0,7 kg nước. Nhào bột: Công đoạn này cực kỳ quan trọng. Để hỗn hợp bột dẻo và thuận tiện cho việc tráng bánh, người công nhân phải nhào bột thật kỹ sao cho tất cả bột khô đều hấp thụ nước và không có lượng nước dư trên bề mặt bột dẻo. Ủ bột ( lên men bột): Thời gian ủ bột thường 4-5h, trong giai đoạn này hỗn hợp bột dẻo có nhiều sự chuyền biến hóa học tạo nên hương vị thơm ngon và giá trị dinh dưỡng cho bánh. 4 Hình 1 Quy trình sản xuất bánh tráng bò bía thủ công Nướng bánh: Người công nhân chuẩn bị sẵn miếng gạt bánh và bếp lò. Khi nhiệt độ bếp lò đạt khoảng 130-1400C thì công việc tráng bánh mới bắt đầu. Ngưới công nhân lấy một lượng bột vừa đủ lên tay. Sau đó, người công nhân dùng cổ tay lắc đều và đảo bột rồi thực hiện động tác ép bánh lên bề mặt bếp, xoay tròn rùi lấy cục bột ra. Như vậy một lớp bánh nhỏ sẽ được dính trên mặt bếp. Sau khi bánh đã chín, thường thì từ 15 đến 20s, người công nhân lấy miếng gạt để gạt bánh ra giỏ. 5 Đóng gói bao bì sản phẩm: Thông thường thì một gói sản phẩm nặng 100gr sẽ chứa 25 đến 30 vỏ bánh [6]. Hình 2 Một số sản phẩm phổ biến trên thị trường 1.3 Lựa chọn loại bột Bột mì là nguyên liệu chính để sản xuất bánh, được chế biến từ hạt lúa mì. Bột mì có hai loại: bột mì trắng và bột mì đen. Bột mì trắng được sản xuất từ hạt lúa mì trắng, bột mì đen được sản xuất từ hạt lúa mì đen. Nguồn nguyên liệu chủ yếu của nước ta là nhập từ nước ngoài (nhập bột mì và lúa mì) và ta chỉ nhập loại lúa mì trắng. Trong bột mì để sản xuất bánh gồm có: tinh bột, dextrin, xenluloza, hemixenluloza, Gluxit keo, đường, chất béo, vitamin và một số loại men khác. Tùy loại bột mà hàm lượng các chất trên khác nhau. Sau khi khảo sát quy trình làm bột và sản xuất bánh bằng tay, chúng tôi đã tìm được công thức pha chế bột mì cho sản xuất bằng máy. Công thức bột để đạt chất lượng bánh tốt là: + Tỉ lệ bột : bột mì khoảng 85%, bột gạo khoảng 10%, bột nở khoảng 5%. 6 + Công thức bột : ¾ 1kg bột khô + 0,7 kg nước. ¾ 1 quả trứng + 1 chén nhỏ đậu xanh tán nhuyễn. ¾ 2 muỗng đường + 1 muỗng muối +2 muỗng dầu ăn 7 II. Sơ đồ nguyên lý thiết kế 2.1 Sơ đồ nguyên lý 2.2.1 Phương án sản xuất thủ công a. Sơ đồ nguyên lý Hình 3 Sơ đồ mô tả của phương án thủ công b. Mô tả cách làm Đầu tiên là cân đong nguyên liệu cho phù hợp sau đó dùng máy đánh hỗn hợp bột đạt độ dẻo cao. Ủ bột trong vòng 2h để bột lên men tạo mùi thơm đặc trưng của bánh Chuẩn bị bếp và dụng cụ Người công nhân lắc đảo khối bột trên lòng bàn tay, đặt khối bột xuống bếp, xoay 600 rồi nhấc nhanh khối bột lên. 8 Sau 20s bánh sẽ chín, người công nhân dùng gạt để gạt bánh cho vào giỏ. Để nguội chuẩn bị đóng gói sản phẩm 2.2.2 Phương án thiết kế số 1 a. Sơ đồ nguyên lý Hình 4 Sơ đồ nguyên lý của phương án 1 Trong đó 1. Băng trượt 4. Hệ thống nướng bánh 2. Con lăn 5. Cụm cấp bột 3. Bếp tròn nướng bánh 6. Ru lô cấp bột b. Nguyên tắc hoạt động Cấp bột : Bột sau khi được pha chế sẽ ở trạng thái dẻo. Rulô cấp bột số 6 quay đều với một vận tốc nhất định làm cho bột dẻo phân bố đều trên bề mặt hình trụ của rulô. 9 Gia nhiệt : Hệ thống nướng bánh số 4 sẽ làm nhiệm vụ này. Hệ thống này bao gồm hai dãy bếp nướng có dạng hình tròn, mỗi dãy bao gồm 10 bếp nướng. Bề mặt bếp nướng làm bằng nhôm và được gia nhiệt bằng điện trở. Nướng bánh : Hệ thống số 4 sẽ hoạt động theo 2 chiều. Khoảng cách giữa mặt bếp nướng số 3 và bề mặt hình trụ của rulô 6 có thể điều chỉnh phù hợp độ dày bánh. Ban đầu hệ thống số 4 thực hiện hành trình qua phải, bột từ rulô sẽ liếm trên mặt bếp và được nướng chín. Sau đó bếp nướng quay 1800để đảo mặt, người công nhân ở phía trước và phía sau máy thực hiện gạt bánh ra trong thời gian 60s. Hệ thống số 4 lại tiếp tục hành trình qua trái, bột lại được liếm vào mặt bếp và bếp thực hiện xoay 1800. Như vậy quá trình cứ lặp đi lặp lại. c. Ưu điểm Tạo được biên dạng bánh hình tròn giống với phương pháp thủ công d. Nhược điểm • Thiết bị cồng kềnh, đòi hỏi mặt bằng nhà xưởng. • Có sự va đập trong quá trình liếm bột. • Cần có công nhân gạt bánh nên thuộc máy bán tự động. • Năng suất thấp do có thời gian chờ công nhân gạt bánh. • Còn tốn chi phí trả lương công nhân. e. Kết luận • Đã đưa vào sản xuất thử tại quận 12 và không thành công Îdự án bị ngưng trệ. • Máy còn thiếu khâu gạt bánh và xếp bánh. • Không đáp ứng được nhu cầu của các cơ sở sản xuất do năng suất thấp. f. Một vài hình ảnh về mô hình máy thật được chế tạo dựa trên nguyên lý phương án 1. 10 Phương án 1 đã được đưa vào chế tạo mô hình máy thật, tuy nhiên kết quả không thành công do các lý do đã trình bày ở trên. Các hình 5- 8 trình bày mô hình chế tạo máy để sản xuất thử nghiệm. Hình 5 Kiểu máy theo phương án 1 Hình 6 Tủ điều khiển của máy theo phương án 1 11 Hình 7 Cụm cấp bột phương án 1 Hình 8 Tổng thể phương án 1 12 2.2.3 Phương án thiết kế số 2 a. Sơ đồ nguyên lý Hình 9 Sơ đồ nguyên lý của phương án 2 Trong đó 1.Máng cấp bột 9.Quạt làm mát 2.Rulô quết bột 10.Cụm cắt bánh 3.Dao gạt bột 11.Máng đựng bánh 4.Vỏ cách nhiệt 12.Băng tải xếp bánh 5.Rulô tráng bánh 13. Cụm xếp bánh 6.Điện trở đốt nóng 14.Băng tải làm mát 7.Đồng hồ hiển thị nhiệt 15.Cụm làm mát bằng nước 8.Dao gạt bánh b. Nguyên tắc hoạt động Cụm cấp bột : Rulô số 2 quay với một vận tốc nhất định cuốn bột từ máng đựng bột số 1 lên rulô tráng bánh số 5. Vỏ cách nhiệt số 4 làm giảm mất mát nhiệt ra ngoài môi trường. 13 Cụm cấp nhiệt : Có 5 cái điện trở đốt nóng số 6 sẽ làm nhiệm vụ cấp nhiệt cho hệ thống. Bên cạnh đó, đồng hồ số 7 sẽ theo dõi nhiệt độ của hệ thống trong một phạm vi nhất định. Khi vượt qua phạm vi cho phép thì sẽ thực hiện đóng ngắt các điện trở. Cụm làm mát cho bánh : Dao gạt bánh số 8 làm nhiệm vụ gạt bánh ra khỏi rulô tráng bánh số 5 sau khi bánh đã chín. Sau đó, bánh được chuyển xuống hệ thống băng tải làm mát số 14. Tại đây, có khoảng 10 cái quạt làm mát số 9 giải nhiệt cho bánh để cho bánh thêm mềm lại thuận lợi cho quá trình cắt bánh. Cụm xếp bánh :Cụm xếp bánh số 13 thực hiện xếp bánh sau khi cắt và đưa qua băng tải số 12. Sau đó bánh được chuyển vào máng đựng bánh số 11. Cụm làm mát số 15 thực hiện nhiệm vụ làm mát cho ru lô tráng bánh số 5 để chuẩn bị cho quá trình quết bột kế tiếp. c. Ưu điểm • Năng suất cao. • Quá trình sản xuất liên tục. • Hệ thống gọn nhẹ, kết cấu đơn giản. • Không phụ thuộc vào tay nghề công nhânÆchất lượng sản phẩm đồng đều. d. Nhược điểm • Bánh hình vuông không giống sản xuất thủ công. • Rulô tráng bánh sẽ khó chế tạo. e. Kết luận Quá trình sản xuất bánh gần như tự động hoàn toàn, người công nhận chỉ đếm số lượng bánh cho vào bao bì để chuẩn bị cho quá trình đóng gói. Máy cho năng suất và hiệu quả cao. 14 2.2 Lựa chọn phương án thiết kế 2.2.1.Lựa chọn phương án Dựa vào các ưu nhược điểm của hai phương án trên ta quyết định chọn phương án số 2 với nhữn ưu điểm vượt trội hơn : • Năng suất cao. • Chất lượng sản phẩm đồng đều. • Quá trình sản xuất liện tục. 2.2.2.Thiết kế sơ bộ kích thước các cụm của hệ thống • Cụm tráng bánh : dự kiến thiết kế rulô lớn có đường kính 1000mm, bề dày 10mm, bề rộng cỡ 360mm (làm 2 dãy bánh, bánh vuông 150x150mm). • Cụm cấp bột : dự kiến thiết kế trục quết bột đường kính 190mm, bọc nhựa chịu nhiệt bên ngoài với bề dày 5mm. • Cụm băng tải làm mát : dự kiến băng tải làm mát dài từ 2 đến 2,5 m, dùng 6 chiếc quạt máy tính chia làm 2 dãy để làm mát, chiều cao băng tải cỡ 1m • Cụm băng tải xếp bánh : dự kiến băng tải xếp bánh dài 1m, cao cỡ 400 mm. • Cụm cấp nhiệt : dùng 12 điện trở đốt nóng công suất 1KW để gia nhiệt, dùng bộ ổn nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ trong phạm vi cho phép. Ngoài ra còn phải có vỏ cách nhiệt để đảm bảo lượng nhiệt tổn thất là ít nhất. 15 III. Thông số công nghệ của máy 3.1 Thông số công nghệ của máy và yêu cầu khách hàng Bảng số 1 trình bày các thông số công nghệ và yêu cầu từ khách hàng đã liên hệ đặt hàng với nhóm tác giả. Thông số Định lượng và định tính Thời gian chín bánh t 15-20 s Nhiệt độ chín bánh 120-1400 C Số ca /ngày 2 ca Số giờ / ca 8h Dạng bánh Vuông Kích thước bánh 150mm x 150mm Năng suất 40.000 Sản phẩm /ca Vận hành Đơn giản, dễ sửa chữa Thẩm mỹ Máy phải có tính thẩm mỹ Kích thước Gọn nhẹ Vệ sinh an toàn thực phẩm Dễ dàng vệ sinh máy Đảm bảo an toàn thực phẩm Bảng 1. Các thông số công nghệ và yêu cầu của khác hàng 3.2 Sơ đồ động của máy Hình 10 mô tả sơ đồ động học của máy được thiết kế. Thiết kế sử dụng 4 động cơ độc lập cho 4 hệ thống cơ cấu khác nhau để đơn giản hóa và dể hiệu chỉnh trong quá trình chế tạo và sử dụng [2-4]. Tỉ số truyền và vận tốc các trục, động cơ được trình bày trên bảng 2 [9]: 16 Hình 10 Sơ đồ động của máy Thông số máy Tỉ số truyền i1 = 3 i2 = 1 i3 = 0.476 i5 = 1 i6 = 0.25 i7 = 1 Trục I n1 = 10 v/p Trục II n2 = 2 v/p và nđc1 = 6 v/p Trục III và IV n3 = n4 = 20 v/p Trục V, VI và VII n5 = n6 = n7 = 42 v/p Trục X và XI n10 = n11 = 40 v/p Băng tải làm mát n = 0.105 m/s Băng tải xếp bánh n = 0.21 m/s Dạng bánh Vuông, 150mmm x 150 mm Năng suất Q = 40.000 sản phẩm / ca Thời gian chạy Ngày làm 2 ca, ca 8 tiếng Bảng 2. Tỉ số truyền và vận tốc các trục, động cơ 17 i4 = 1 IV. Kết quả của đề tài 4.1 Kết quả của đề tài 4.1.1 Mô hình 3D máy Dựa trên bản vẽ thiết kế 2D từ autocad, sử dụng phần mềm inventor 2012, thiết bị làm bánh tráng bò bía được mô phỏng trên mô hình 3D để có thể mô phỏng được chuyển động và thực hiện quá trình công tác. Hình 11 Mô hình thiết kế 3D máy làm bánh tráng bò bía. 18 Việc sử dụng mô hình thiết kế 3D thể hiện rất nhiều ưu điểm so với 2D, đặc biệt khách hàng có thể dễ dàng hình dung sản phẩm và dễ dàng thay đổi một số yếu tố theo yêu cầu của khách hàng. 4.1.2 Sử dụng thiết kế của đề tài vào chế tạo Sau khí được thiết kế mô hình máy được vẽ 2D trên phần mềm Autocad 2012 và mô phỏng chuyển động trên phần mềm Inventor 2012, nhóm đã chuyển giao thiết kế để chế tạo cho khách hàng và đã đưa mô hình vào chế tạo, sau đây là một số hình ảnh về mô hình thật của máy. Hình 12 Hệ thống Rulô tráng bánh 19