Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam ngày càng phát triển, việc ứng dụng các hệ thống cơ khí tự động trong dây chuyền sản xuất trở nên cấp thiết nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, các dây chuyền rửa, phân loại trái cây hiện đại có thể giảm tới 30-40% thời gian sản xuất so với phương pháp thủ công truyền thống. Đề tài "Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí rửa hoa quả" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận và thực hành với phần mềm thiết kế INVENTOR, đồng thời chế tạo thành công mô hình máy rửa quả cà chua có khả năng vận hành tự động, giúp rửa nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ truyền xích, băng tải cao su PVC và mạch điện điều khiển cho hệ thống rửa hoa quả, với trọng tâm là quả cà chua có khối lượng trung bình 0,2 kg, tải trọng tối đa 50 kg trên băng tải rộng 300 mm. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019 tại TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là phát triển mô hình máy rửa hoa quả có thể vận hành liên tục, giảm sức lao động thủ công, đồng thời làm tiền đề cho việc nghiên cứu dây chuyền phân loại hoa quả tự động với công suất lớn hơn.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng kỹ thuật cơ khí chính xác vào ngành công nghiệp thực phẩm, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí nhân công và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trái cây Việt Nam trên thị trường trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí sau:

  • Bộ truyền xích: Cấu tạo gồm đĩa xích dẫn, đĩa xích bị dẫn, mắt xích liên kết bằng bản lề, với vật liệu thép cacbon và thép hợp kim có độ cứng từ 40-60 HRC. Bộ truyền xích ống con lăn được chọn do vận tốc xích nhỏ và tải trọng vừa phải, đảm bảo hiệu suất truyền động cao (khoảng 0,95) và khả năng làm việc khi quá tải đột ngột.

  • Băng tải cao su PVC: Phân loại theo kết cấu và công năng, băng tải được thiết kế với băng dệt tẩm cao su có 2 lớp đệm, chiều rộng 300 mm, bề dày 4 mm, vận tốc băng tải 0,1 m/s (tương đương 6 m/phút). Các thông số thiết kế dựa trên lý thuyết tính toán lực căng, lực kéo, lực cản chuyển động và độ bền của băng tải, đảm bảo vận chuyển liên tục và ổn định quả cà chua với tải trọng 50 kg.

  • Mạch điện điều khiển: Hệ thống điều khiển tự động kết hợp cơ cấu cơ khí và mạch điện nhằm điều chỉnh vận tốc băng tải, lực căng băng và hoạt động của bộ truyền xích, đảm bảo máy vận hành hiệu quả và an toàn.

Các khái niệm chính bao gồm: lực căng băng (Sr, Sv), lực cản chuyển động (Wkt, W1-2, W3-4), momen xoắn trên trục, lực tác dụng lên trục, và các thông số kỹ thuật của bộ truyền xích và băng tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn thiết kế bộ truyền xích, băng tải, và các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về máy rửa và phân loại hoa quả.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán thiết kế chi tiết bộ truyền xích, băng tải dựa trên các công thức kỹ thuật chuẩn, mô phỏng hoạt động bằng phần mềm INVENTOR, sau đó chế tạo và thử nghiệm mô hình thực tế.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình chế tạo dựa trên kích thước và tải trọng thực tế của quả cà chua, phù hợp với điều kiện sản xuất nhỏ và vừa. Việc chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi, độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế trong 6 tháng đầu năm 2019, chế tạo và thử nghiệm trong 3 tháng tiếp theo, hoàn thiện báo cáo và đề xuất ứng dụng trong 3 tháng cuối năm.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả năng áp dụng cao trong môi trường sản xuất thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế bộ truyền xích hiệu quả: Bộ truyền xích ống con lăn một dãy với tỉ số truyền ix = 1, số răng đĩa xích dẫn và bị dẫn đều là 18, bước xích 9 mm, đảm bảo vận tốc xích 50 vòng/phút và công suất truyền 0,07 kW. Khoảng cách trục cuối cùng được xác định là 269,19 mm, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật. Lực tác dụng lên trục khoảng 666 N, đảm bảo độ bền và ổn định trong vận hành.

  2. Băng tải cao su PVC đáp ứng yêu cầu vận chuyển: Chiều rộng băng tải 300 mm, vận tốc 0,1 m/s, tải trọng tối đa 50 kg, năng suất vận chuyển đạt khoảng 0,5 tấn/giờ. Lực cản chuyển động trên nhánh có tải là 6,78 kG, lực kéo tổng hợp khoảng 25,79 kG, đảm bảo băng tải vận hành êm, không gây tiếng ồn lớn.

  3. Chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy rửa hoa quả: Mô hình có khả năng rửa quả cà chua kích thước trung bình, vận hành liên tục, giảm sức lao động thủ công. Hệ thống điều khiển điện kết hợp cơ cấu cơ khí giúp điều chỉnh vận tốc và lực căng băng tải linh hoạt.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác: So với dây chuyền rửa và phân loại cà chua công suất 20 tấn/ngày tại Lâm Đồng, mô hình này phù hợp với quy mô nhỏ và trung bình, tạo tiền đề cho phát triển dây chuyền công nghiệp lớn hơn. Hiệu suất và độ bền của bộ truyền xích và băng tải tương đương hoặc vượt trội so với các thiết kế truyền thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp bộ truyền xích ống con lăn và băng tải cao su PVC là giải pháp tối ưu cho hệ thống rửa hoa quả quy mô nhỏ và vừa. Lực căng và lực kéo được tính toán chính xác giúp đảm bảo độ bền và ổn định vận hành, giảm thiểu hao mòn và tiếng ồn. Việc sử dụng phần mềm INVENTOR trong thiết kế giúp sinh viên tiếp cận công nghệ hiện đại, nâng cao kỹ năng thực hành.

Biểu đồ lực căng băng và lực cản chuyển động có thể được trình bày qua các biểu đồ đường để minh họa sự phân bố lực trên từng đoạn băng tải, giúp tối ưu hóa thiết kế. So với các hệ thống nước ngoài như GPGRADERS hay GREEFA, mô hình này có tính linh hoạt cao, dễ dàng điều chỉnh và bảo trì.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc chế tạo thành công mô hình mà còn góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật cơ khí, thúc đẩy ứng dụng công nghệ tự động hóa trong ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp công suất băng tải: Tăng chiều rộng băng tải từ 300 mm lên 500 mm và vận tốc từ 0,1 m/s lên 0,15 m/s trong vòng 12 tháng tới nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất lớn hơn. Chủ thể thực hiện là các nhà máy chế biến trái cây quy mô vừa và lớn.

  2. Phát triển dây chuyền phân loại tự động: Nghiên cứu và thiết kế dây chuyền phân loại hoa quả theo màu sắc và khối lượng dựa trên mô hình hiện tại trong 18 tháng, nhằm nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng yêu cầu thị trường xuất khẩu. Đơn vị thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Đào tạo nâng cao kỹ năng sinh viên: Tổ chức các khóa học thực hành sử dụng phần mềm INVENTOR và kỹ thuật chế tạo cơ khí cho sinh viên trong 6 tháng, giúp nâng cao năng lực thiết kế và sản xuất máy móc công nghiệp. Trường đại học và các viện đào tạo kỹ thuật chịu trách nhiệm.

  4. Ứng dụng trong môi trường sản xuất thực tế: Khuyến khích các doanh nghiệp áp dụng mô hình máy rửa hoa quả để giảm thiểu sức lao động và tăng năng suất, đồng thời thu thập phản hồi để cải tiến thiết kế trong 12 tháng tiếp theo.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và tăng khả năng cạnh tranh của ngành chế biến trái cây Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành Công nghệ chế tạo máy và Cơ khí chính xác: Nghiên cứu giúp sinh viên hiểu rõ quy trình thiết kế, tính toán và chế tạo hệ thống cơ khí thực tế, nâng cao kỹ năng thực hành và ứng dụng phần mềm thiết kế.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến thiết kế bộ truyền xích, băng tải và tự động hóa trong sản xuất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến thực phẩm: Có thể áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu để cải tiến dây chuyền sản xuất, giảm chi phí nhân công và nâng cao năng suất, đặc biệt trong lĩnh vực rửa và phân loại hoa quả.

  4. Các nhà thiết kế và kỹ sư tự động hóa: Tham khảo để phát triển các hệ thống điều khiển kết hợp cơ khí và điện tử, tối ưu hóa vận hành máy móc trong môi trường sản xuất thực tế.

Mỗi nhóm đối tượng sẽ nhận được lợi ích thiết thực từ việc áp dụng kiến thức và kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và công nghiệp thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy rửa hoa quả này phù hợp với loại trái cây nào?
    Máy được thiết kế chủ yếu cho quả cà chua với kích thước và khối lượng trung bình 0,2 kg/quả, tuy nhiên có thể điều chỉnh để phù hợp với các loại trái cây có kích thước tương tự như nhãn, thanh long.

  2. Công suất vận chuyển của hệ thống là bao nhiêu?
    Mô hình hiện tại có năng suất vận chuyển khoảng 0,5 tấn/giờ, tương đương với tải trọng 50 kg trên băng tải rộng 300 mm và vận tốc 0,1 m/s.

  3. Phần mềm nào được sử dụng để thiết kế hệ thống?
    Phần mềm INVENTOR được sử dụng để thiết kế các chi tiết cơ khí và mô phỏng hoạt động của hệ thống, giúp sinh viên tiếp cận công nghệ thiết kế hiện đại.

  4. Lực căng băng tải được tính toán như thế nào?
    Lực căng băng tải được xác định dựa trên các công thức kỹ thuật chuẩn, bao gồm lực cản chuyển động, lực kéo, và lực tác dụng lên trục, đảm bảo băng tải vận hành ổn định và bền bỉ.

  5. Máy có thể áp dụng trong dây chuyền sản xuất lớn không?
    Mô hình hiện tại phù hợp với quy mô nhỏ và vừa, nhưng có thể mở rộng và cải tiến để phát triển thành dây chuyền công nghiệp với công suất lớn hơn trong tương lai.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống cơ khí rửa hoa quả với bộ truyền xích và băng tải cao su PVC phù hợp cho quả cà chua.
  • Mô hình giúp giảm sức lao động thủ công, tăng năng suất vận chuyển lên khoảng 0,5 tấn/giờ.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao kỹ năng thực hành và ứng dụng phần mềm thiết kế cho sinh viên ngành Công nghệ chế tạo máy.
  • Đề xuất phát triển dây chuyền phân loại tự động và nâng cấp công suất băng tải trong 12-18 tháng tới.
  • Khuyến khích doanh nghiệp và các cơ sở đào tạo áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và đào tạo kỹ thuật.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm mở rộng mô hình trong môi trường sản xuất thực tế và phát triển các hệ thống tự động hóa nâng cao. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và sinh viên quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển ứng dụng công nghệ trong ngành công nghiệp thực phẩm.