Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm

ĐẠI HỌC QC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ Bộ MƠN CHẾ TẠO MÁY oOo - THẠCH NGỌC PHÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ TRÌNH CẮT THỰC PHẨM ỨNG DỤNG SIÊU ÂM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã ngành: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ Chí Minh, tháng 06 năm 2016 GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: Ts Nguyễn Thanh Hải Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Cán chấm nhận xét 2: TS Phan Đình Huấn Phạm Sơn Minh Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-TP HCM ngày 08 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Phan Đình Huấn TS Phạm Sơn Minh PGS.TS Đặng Vũ Ngoạn TS Lê Thanh Danh TS Lưu Phương Minh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ TS Lưu Phương Minh PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Thạch Ngọc Phú MSHV: 13040395 Ngày, tháng, năm sinh: 02-04-1989 Nơi sinh: Trà Vinh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 60520103 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ q trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mô hệ siêu âm khuôn cắt phần mềm Abaqus Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm Thực nghiệm cắt số thực phẩm Đưa số thông số công nghệ trình cắt thực phẩm III NGÀY GIAO NHIÊM VỤ : 11-01-2016 IV NGÀY HOÀN THANH NHIỆM VỤ: 17-06-2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Hải Tp HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TS Trần Nguyễn Duy Phương TS Nguyễn Thanh Hải TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú LỜI CẢM ƠN Đầu tiên muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thanh Hải, luận văn không hồn thành khơng có hướng dẫn tận tình Thầy, Thầy tạo điều kiện thuận lợi để thực nghiên cứu, thực nghiệm tháo gỡ khúc mắc mà gặp phải q trình thực luận văn Tơi gửi lời cảm ơn đến gia đình người thân mình, họ động lực để phấn đấu sống việc học tập, nghiên cứu Cuối xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, học viên cao học trải qua khó khăn, vui buồn suốt thời gian học cao học Tôi xin chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2016 Thạch Ngọc Phú GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú TÓM TẮT Cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm ứng dụng sử dụng công nghệ siêu âm giúp đem lại lợi ích tốt so với cắt theo phương pháp truyền thống, đặc biệt số thực phẩm khó cắt chúng có tính chất cứng, giòn, mềm, dẻo, dễ bám dính, phương pháp áp dụng hiệu Nghiên cứu tập trung nghiên cứu thông số ảnh hưởng tới trình cắt, để làm sở cho việc thiết kế chế tạo thử nghiệm khuôn cắt (sonotrode), đồng thời đưa thông số công nghệ hợp lý cho phương pháp cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm Từ khóa: khn cắt, siêu âm, ABSTRACT Ultrasonic food cutting is new application using ultrasonic technology in order to bring better benefits compare to the conventional method Especially for some foods which difficult to cut because of its hard, easy stick, so this method could be more efficient This research focus on cutting parameters which could effect during cutting process This result is fundamental for designing and making prototype of sonotrode, also provide technological parameters for food cutting technology Keywords: sonotrode, ultrasonic, HVTH: Thạch Ngọc Phú LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Các nghiên cứu tơi phân tích dựa việc tham khảo số tài liệu, luận văn, báo thực Các phân tích, đánh giá trích xuất liệu hồn tồn trung thực, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Tơi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật luận văn Tác giả Thạch Ngọc Phú GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú MỤC LỤC TỔNG QUAN 11 1.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm: 11 1.2 Tình hình nghiên cứu 12 1.2.1 Nghiên cứu nước 12 1.2.2 Nghiên cứu giới 12 1.3 ứng dụng công nghệ cắt siêu âm 14 1.4 Lý chọn đề tài: 15 1.5 Mục tiêu luận văn 16 1.6 Ý nghĩa đóng góp đề tài: 16 1.6.1 Khoa học: 16 1.6.2 Thực tiễn: 16 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Lý thuyết sóng siêu âm: 17 2.1.1 Định nghĩasóng siêu âm: 17 2.1.2 Bản chất sóng âm: 18 2.1.3 Các đại lượng đặc trưng: 18 2.1.4 Phân loại sóng âm: 19 2.1.5 Tính chất vật lý sóng âm siêu âm 20 2.1.6 Nguồn phát siêu âm 22 2.2 Cấu tạo nguyên lý cắt thực phẩm siêu âm 24 2.3 Các thông số cắt siêu âm 28 2.3.1 ÁplựccắtF(N) 28 2.3.2 Tần số siêu âm f (kHz) 29 2.3.3 Biên độ cắt A (pm) 29 2.3.4 Tốc độ cắt V (mm/s) 29 GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú Q TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG KHUÔN CẮT .29 3.1 Cơ sở thiết kế 30 3.1.1 Sóng dọc truyền qua trụ thẳng [1] 30 3.1.2 Sóng truyền qua chi tiết có biên dạng khơng đồng 32 3.2 Lựa chọn vật liệu cho khuôn cắt 34 3.3 Mơ hình phân tử hữu hạn FEM (Finite Element Modelling) 35 3.4 Mô hệ siêu âm khuôn cắt .36 3.4.1 Giới thiệu phần mềm AB AQƯS 36 3.4.2 Giới thiệu mô hình siêu âm khn cắt 38 3.4.3 Định nghĩa vật liệu cho chi tiết mơ hình Abaqus: 39 3.4.4 Tạo lưới mơ cho mơ hình 44 3.4.5 Thiết lập trạng thái (analysis step) Abaqus cho mơ hình 46 3.4.6 Thiết lập tương tác chi tiết với 47 3.4.7 Gán điều kiện biên (boundary conditions) 49 3.4.8 Áp đặt lực cho toán (loads) 51 3.4.9 Kết mô phỏng: .52 3.4.10 Khảo sát hệ siêu âm với khuôn cắt nhôm 67 3.4.11 Kết luận 71 Q TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KHN CẮT 72 4.1 Chế tạo khuôn cắt thép .72 4.2 Chế tạo khuôn cắt nhôm .74 4.3 Thử nghiệm khuôn cắt 75 4.3.1 Cắt bánh chocopie 76 4.3.2 Cắt bánh mì khơng .77 4.3.3 Cắt bánh lan .78 4.3.4 Các thực phẩm khác .79 GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú 4.4 Kết luận .80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 5.1 Luận văn giải vấn đề sau: 80 5.2 Kiến nghị .81 GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú Danh sách hình vẽ Hình 1.1: cắt bánh bơng lan dao siêu âm [8] 11 Hình 1.2: Hệ thống cắt bánh tự động cánh tay robot Abrigo 13 Hình 1.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh lan hãng Bakon 13 Hình 1.4: Máy cắt sandwich hãng Doinghaus 14 Hình 1.5: Các loại bánh kẹo cắt siêu âm [6] 15 Hình 2.1: Các vùng tần số sóng âm [9] 17 Hình 2.2: Biểu đồ biểu diễn dao động sóng âm [6] 18 Hình 2.3: a sóng dọc; b sóng ngang [9] 19 Hình 2.4: Dao động tinh thể thạch anh [6] 22 Hình 2.5: Hiện tượng piezo-electric [9] 22 Hình 2.6: Hiện tượng từ giảo 23 Hình 2.7: Các phận hệ thống cắt siêu âm [8] 25 Hình 2.8: Bộ phát cao tần [6] 25 Hình 2.9: Bộ chuyển đổi siêu âm [6] 26 Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6] 26 Hình 2.11: Các loại khn cắt siều âm thực phẩm [6] 27 Hình 2.12: So sánh trình cắt vật liệu xốp trường hợp có khơng có siêu âm 27 Hình 2.13: Các thơng số cắt siêu âm 28 Hình 2.14: So sánh lực sử dụng ttong trình cắt khơng có có siêu âm [3] 28 Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống cắt siêu âm [3] 29 Hình 3.1: Sóng dọc trụ thẳng đồng [1] 30 Hình 3.2: Miêu tả phân phối ứng suất khn có biên dạng đối xứng tâm 33 Hình 3.3: Hình dạng sóng truyền qua biên dạng khác 34 Hình 3.4: Lưu đồ mơ ừong Abaqus 37 Hình 3.5: Mơ hình mơ khn cắt 38 GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải HVTH: Thạch Ngọc Phú Hình 3.43: Biểu độ chuyển vị điểm A B theo tần số Sau giải tốn harmonic vùng theo kết mơ phỏng, hệ có dao động dọc trục lớn tần số 20547 (Hz) tần số riêng hệ Theo đồ thị hình 3.42 ta có kết độ lớn dao động A B nhu sau: Bảng 3.5: Độ lớn dao động A B tần số Tại 20547 (Hz) 20552 (Hz) A 8.9 (pm) 5.7 (pm) B 17.9 (um) 11.5 (pm) Dao động tần số 20547 (Hz) cho dao động lớn lưỡi dao Do đó, tần số dùng để khảo sát hệ siêu âm có khn cắt nhơm GVHD: 75 Nguyễn Thanh Hải 70 HVTH: Thạch Ngọc Phú s S22 (Ãvg: 75%) 41.171È4Í5B 45J3ỮŨỄ4Ũ7 Ễ 4-4 035Ễ4Ũ7 43J369&4Ũ7 — k 42J044407 41.13B4407 J41.7276406 ■ - -7.92844-05 ■ - -1 7584407 2.7244407 Ễ -5 S894407 ■ I ^554 4-07 -5 630e4-O7 -6 ỆB6Ẽ4Ơ7 Hình 3.44: Biểu đồ chuyển vị ứng suất dọc trục tần số 20547 (Hz) u uz s +Ị.4ỌỊỊA25 577 (A‘>g: TSCfc) +1 inHVB +4 ệịỊÕHỘ? *3 333^'P +?.ô0e407 I * H *???? - ?*+'?! 4>L.7L2»-CS + L.?5T»-ca ■ - +ị OTOẻ-ệệ ■■ ■ ■ +z.000e+07 ■ ■ *H.€i?t+07 ■ - tĩ.Ịặạtịộ? +4 i70fr*06 +? ♦i ■ +awoe+oo Ễ- t L.L-ộủc+ủ? r€.6Ể7rTỬẾ +siậậãĩ+ộặ 4:L.2£314ủl Tương tự, khảo sát dao động dọc trục lưỡi dao Hình 3.45: Chuyển vị dọc trục ứng suất dọc trục GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 71 HVTH: Thạch Ngọc Phú 1.20E+05 1.00E+05 8.00E+04 JX § 6.00E+04 ì ID 'S 4.00E+04 2.00E+04 0.00E+00 CHIỀU DẦIDỌC TRỤC (m) ứng suất Chuyển vị Hình 3.46: Biểu đồ chuyển vị ứng suất dọc trục theo chiều dài lưỡi dao - - - : 1- l:-QSE^i Í2ữ?ooa +=-.§ệậẽ-fặ + 5376+0 I »+■576.+01 +: ■ + Ị ■?i>+iii +_6^_l_àẽ»ÕÕ -B lã^+õ J.2ast+Di ■2?4«:-3 252r-+OL K>L -4.231 ttO í - 1.0 - n5 ! ỌỊ P S u_ Ị 444.4.4 ì