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 quy trình rửa và xử lý hoa quả trở nên cấp thiết nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, các dây chuyền rửa, thổi khô và phân loại trái cây hiện đại có thể giúp giảm thiểu đến 30-40% thời gian sản xuất so với phương pháp thủ công truyền thống. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các hệ thống này vẫn còn hạn chế về quy mô và tính tự động hóa, chưa đáp ứng được yêu cầu khắt khe của thị trường xuất khẩu về số lượng và chất lượng đồng đều.

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống cơ khí rửa hoa quả, với mục tiêu chính là tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận và thực hành với phần mềm thiết kế INVENTOR, đồng thời phát triển kỹ năng thiết kế khung sắt và hệ thống băng tải. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2019, với phạm vi tập trung vào mô hình băng tải rửa hoa quả, đặc biệt là cà chua có kích thước nhỏ.

Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc nâng cao năng suất rửa hoa quả, mà còn góp phần giảm thiểu sức lao động thủ công trong các nhà máy chế biến, đồng thời mở ra hướng phát triển dây chuyền phân loại hoa quả tự động theo màu sắc và khối lượng với công suất lớn hơn trong tương lai. Qua đó, đề tài góp phần thúc đẩy sự phát triển công nghiệp chế biến nông sản tại Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và xuất khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về bộ truyền xích và nguyên lý hoạt động của băng tải trong hệ thống cơ khí. Bộ truyền xích được nghiên cứu chi tiết về cấu tạo, vật liệu chế tạo, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng, đặc biệt là loại xích ống con lăn một dãy với bước xích 9 mm, số răng đĩa xích 18, phù hợp cho công suất dưới 100 kW và tỉ số truyền dưới 6. Các khái niệm chính bao gồm: cấu tạo bộ truyền xích (đĩa xích dẫn, đĩa xích bị dẫn, mắt xích), nguyên lý truyền động, tính toán lực tác dụng lên trục, và thiết kế các chi tiết trục tang.

Ngoài ra, nghiên cứu còn áp dụng lý thuyết về thiết kế băng tải, bao gồm thiết kế khung băng tải, chân tăng chỉnh, rulô, vòng bi, và các chi tiết liên quan. Lý thuyết về động cơ điện ba pha giảm tốc cũng được sử dụng để lựa chọn động cơ phù hợp với yêu cầu tải trọng 50 kg, công suất 2.2 kW, tốc độ vòng quay 50 vòng/phút sau giảm tốc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu chuyên ngành về công nghệ chế tạo máy, các tiêu chuẩn kỹ thuật về bộ truyền xích, và các tài liệu hướng dẫn thiết kế cơ khí. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ truyền xích và băng tải.
  • Thiết kế chi tiết các bộ phận máy bằng phần mềm INVENTOR, mô phỏng hoạt động hệ thống.
  • Chọn lựa vật liệu và tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp cho từng chi tiết.
  • Chế tạo và lắp ráp mô hình thực tế dựa trên bản thiết kế.
  • Thử nghiệm mô hình với các loại quả có kích thước nhỏ như cà chua để đánh giá hiệu quả rửa.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm học 2019, với cỡ mẫu là một mô hình hệ thống rửa hoa quả hoàn chỉnh. Phương pháp chọn mẫu là thiết kế theo yêu cầu kỹ thuật và thực tế sản xuất, phân tích dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và kết quả thử nghiệm thực tế.

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 bước xích 9 mm, số răng đĩa xích 18, được thiết kế đảm bảo công suất truyền dưới 100 kW, tỉ số truyền 1, hiệu suất đạt 0,95. Khoảng cách trục cuối cùng được xác định là 269,19 mm, lực căng xích tác dụng lên trục là 596,2 N, đảm bảo độ bền và ổn định trong vận hành.

  2. Chế tạo mô hình rửa hoa quả thành công: Mô hình được gia công và lắp ráp dựa trên thiết kế mô phỏng, thử nghiệm thực tế cho thấy hệ thống có khả năng rửa sạch các quả cà chua kích thước nhỏ, giảm thời gian rửa xuống khoảng 40% so với phương pháp thủ công.

  3. Ứng dụng động cơ phù hợp: Động cơ ba pha giảm tốc 2.2 kW, tỉ số truyền 15:1, tốc độ vòng quay 50 vòng/phút đáp ứng tốt yêu cầu vận hành băng tải, đảm bảo vận tốc băng tải ổn định và công suất tải 50 kg.

  4. Tiết kiệm nhân công và nâng cao năng suất: Hệ thống giúp giảm thiểu sức người trong quá trình rửa trái cây, đồng thời tăng năng suất sản xuất lên khoảng 35-45% so với phương pháp truyền thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp các cơ cấu cơ khí truyền động và mạch điện điều khiển tạo ra mô hình tự động hóa hiệu quả trong rửa hoa quả. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, mô hình này có tính ứng dụng cao trong môi trường nhà xưởng nhỏ và vừa, phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

Việc lựa chọn bộ truyền xích ống con lăn một dãy giúp giảm thiểu hiện tượng trượt và tăng hiệu suất truyền động so với bộ truyền đai truyền thống. Lực căng xích và các thông số kỹ thuật được tính toán chính xác đảm bảo độ bền và tuổi thọ của hệ thống. Động cơ giảm tốc ba pha được chọn phù hợp với tải trọng và tốc độ yêu cầu, đồng thời có thể đảo chiều quay bằng cách lắp tụ điện, tăng tính linh hoạt trong vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian rửa hoa quả giữa phương pháp thủ công và hệ thống cơ khí, cũng như bảng thống kê lực tác dụng lên các chi tiết trục và hiệu suất truyền động của bộ truyền xích. Những kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của mô hình trong thực tế sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô mô hình: Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống rửa hoa quả với công suất lớn hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp, giúp tăng năng suất lên gấp đôi trong vòng 1-2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp chế tạo máy.

  2. Nâng cao công suất động cơ: Nghiên cứu và ứng dụng các loại động cơ có công suất lớn hơn, đồng thời cải tiến hệ thống truyền động để đảm bảo vận hành ổn định với tải trọng cao hơn. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do các kỹ sư cơ khí và điện tử đảm nhiệm.

  3. Ứng dụng cơ cấu hiện đại: Áp dụng các cơ cấu cơ khí tiên tiến như cảm biến tự động, hệ thống điều khiển PLC để tăng tính tự động hóa và chính xác trong quá trình rửa và phân loại hoa quả. Thời gian phát triển khoảng 18 tháng, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và doanh nghiệp.

  4. Phát triển dây chuyền phân loại: Nghiên cứu và thiết kế dây chuyền phân loại hoa quả theo màu sắc và khối lượng, đáp ứng yêu cầu khách hàng với công suất lớn hơn, dự kiến hoàn thành trong 2 năm. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu sinh viên và giảng viên hướng dẫn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy: Giúp nâng cao kỹ năng thiết kế, mô phỏng và chế tạo hệ thống cơ khí tự động, đồng thời hiểu rõ quy trình thiết kế bộ truyền xích và băng tải.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu kỹ thuật cơ khí: Cung cấp tài liệu tham khảo về thiết kế chi tiết, tính toán lực tác dụng và lựa chọn vật liệu trong chế tạo máy, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  3. Doanh nghiệp sản xuất máy móc công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm máy rửa và phân loại hoa quả tự động, nâng cao năng suất và giảm chi phí nhân công.

  4. Người quản lý nhà máy chế biến nông sản: Hiểu rõ về công nghệ và thiết bị mới, từ đó có cơ sở lựa chọn và đầu tư hệ thống phù hợp nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống cơ khí rửa hoa quả này phù hợp với loại trái cây nào?
    Mô hình được thử nghiệm thành công với các quả có kích thước nhỏ như cà chua, tuy nhiên có thể điều chỉnh để phù hợp với các loại trái cây khác như xoài, nhãn, thanh long nhờ thiết kế linh hoạt của băng tải và bộ truyền.

  2. Phần mềm INVENTOR được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Phần mềm INVENTOR giúp thiết kế và mô phỏng các chi tiết cơ khí, từ khung băng tải đến bộ truyền xích, giúp tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo thực tế, giảm thiểu sai sót và tiết kiệm chi phí.

  3. Lực căng xích tác động như thế nào đến tuổi thọ của hệ thống?
    Lực căng xích được tính toán là 596,2 N, đảm bảo không vượt quá giới hạn chịu lực của vật liệu thép C35, giúp giảm mài mòn và kéo dài tuổi thọ của bộ truyền xích trong môi trường làm việc thực tế.

  4. Hệ thống có thể giảm thiểu bao nhiêu phần trăm nhân công?
    Theo thử nghiệm, hệ thống giúp giảm khoảng 30-40% sức lao động thủ công trong quá trình rửa hoa quả, đồng thời tăng năng suất sản xuất lên 35-45%.

  5. Có thể nâng cấp hệ thống để phân loại hoa quả không?
    Có thể, nhóm nghiên cứu đã đề xuất phát triển dây chuyền phân loại hoa quả theo màu sắc và khối lượng, dự kiến ứng dụng các cảm biến và cơ cấu điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả và công suất.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống cơ khí rửa hoa quả, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thực tế sản xuất.
  • Mô hình giúp rửa sạch các quả cà chua kích thước nhỏ, giảm thời gian rửa khoảng 40% so với phương pháp thủ công.
  • Bộ truyền xích và băng tải được thiết kế chính xác, đảm bảo hiệu suất truyền động cao và độ bền lâu dài.
  • Hệ thống góp phần giảm thiểu sức lao động, nâng cao năng suất và có tiềm năng phát triển thành dây chuyền phân loại tự động.
  • Đề xuất mở rộng quy mô, nâng cao công suất động cơ và ứng dụng công nghệ hiện đại để hoàn thiện hệ thống trong tương lai.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển mô hình quy mô lớn hơn và thử nghiệm các cơ cấu phân loại hoa quả tự động. Đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất nông sản Việt Nam.