Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với vấn nạn ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa, việc thay thế các sản phẩm nhựa dùng một lần bằng các vật liệu thân thiện với môi trường trở thành xu hướng tất yếu. Theo chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc, Việt Nam hiện là quốc gia đứng thứ tư thế giới về lượng rác thải nhựa đổ ra biển, trong đó ống hút nhựa chiếm tỷ lệ lớn. Ống hút tre, với nguồn gốc hoàn toàn từ thiên nhiên, được xem là giải pháp thay thế hiệu quả, vừa bảo vệ môi trường vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng. Tuy nhiên, quy trình sản xuất ống hút tre hiện nay chủ yếu thủ công, đặc biệt là công đoạn mài thân ống, gây hạn chế về năng suất và chất lượng sản phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy mài thân ống hút tre tự động nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu chi phí nhân công và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các loại ống hút tre có đường kính ngoài từ 7 đến 15 mm, độ dày thành ống từ 1 đến 2,5 mm, chiều dài 20-21 cm, với mục tiêu đạt năng suất 12 ống/phút. Nghiên cứu được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021, với sự phối hợp thử nghiệm tại Công ty TNHH Ống Hút Tre Việt Bắc.

Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc phát triển công nghệ sản xuất thân thiện môi trường mà còn góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp chế biến tre nứa trong nước, tạo công ăn việc làm và nâng cao giá trị kinh tế xã hội. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ hỗ trợ các doanh nghiệp chuyển đổi từ sản xuất thủ công sang tự động hóa, phù hợp với xu hướng công nghiệp 4.0.

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 liên quan đến thiết kế máy mài và truyền động cơ khí, bao gồm:

  • Lý thuyết truyền động đai thang: Phân tích hiệu suất, lực căng đai, tỷ số truyền và tuổi thọ đai nhằm đảm bảo truyền động ổn định và bền bỉ cho máy mài.
  • Nguyên lý mài và lực cắt trong gia công vật liệu gỗ: Áp dụng các công thức tính lực cắt, công suất mài và phân tích vectơ vận tốc để thiết kế đai mài phù hợp với vật liệu tre, đảm bảo không làm hỏng bề mặt ống hút.
  • Mô hình điều khiển điện-khí nén: Sử dụng hệ thống xy lanh khí nén để tự động cấp phôi ống hút, kết hợp với động cơ điện điều khiển đai mài và cơ cấu dẫn ống, tạo thành hệ thống tự động liên tục.

Các khái niệm chính bao gồm: lực mài (P), công suất động cơ (Pđc), tỷ số truyền (u), tốc độ quay đai mài (VK), và hiệu suất truyền động (η).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ khảo sát thực tế tại Công ty TNHH Ống Hút Tre Việt Bắc, các tài liệu kỹ thuật, bài báo khoa học và mô hình máy mài trên thị trường trong và ngoài nước. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết và mô hình hóa: Tổng hợp các công thức tính toán cơ khí, truyền động và mài để thiết kế máy.
  • Thiết kế CAD: Sử dụng phần mềm Inventor 2020 và AutoCAD 2020 để thiết kế chi tiết và xuất bản vẽ kỹ thuật.
  • Chế tạo và thử nghiệm thực tế: Gia công các chi tiết máy, lắp ráp và vận hành thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, đánh giá năng suất và chất lượng sản phẩm.
  • Phân tích số liệu: Đánh giá hiệu quả máy dựa trên năng suất đạt 80% so với mục tiêu đề ra, so sánh với các loại máy mài thủ công và bán tự động hiện có.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các ống hút tre có kích thước tiêu chuẩn, với các thử nghiệm vận hành máy trong điều kiện thực tế tại công ty sản xuất. Phương pháp chọn mẫu là chọn đại diện các kích thước phổ biến trên thị trường để đảm bảo tính ứng dụng rộng rãi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công mô hình máy mài thân ống hút tre tự động với các cơ cấu chính gồm hệ thống cấp phôi bằng xy lanh khí nén, đai mài nhám dài và cơ cấu ép ống bằng con lô bọc cao su. Máy đạt năng suất khoảng 80% so với mục tiêu 12 ống/phút, tương đương khoảng 9,6 ống/phút.

  2. Chất lượng sản phẩm được cải thiện rõ rệt: Ống hút sau khi mài không còn ba-via, không bị méo đầu ống, giữ nguyên lớp cật tre bảo vệ, đảm bảo độ bóng tự nhiên và độ bền sản phẩm. So với máy mài bán tự động, tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn tăng từ khoảng 65% lên trên 90%.

  3. Hiệu quả truyền động và công suất động cơ được tối ưu hóa: Động cơ chính công suất 1,1 kW với tỷ số truyền 1,6 đảm bảo tốc độ đai mài 38 m/s, phù hợp với vật liệu tre. Động cơ cấp ống công suất 0,18 kW với tỷ số truyền 25 vận hành ổn định, giảm thiểu hao hụt năng lượng.

  4. Cơ cấu giữ ống linh hoạt và dễ bảo trì: Thiết kế cho phép thay đai mài nhanh chóng, tối ưu hóa việc bảo dưỡng, giảm thời gian ngừng máy. Hệ thống cấp phôi tự động giúp giảm nhân công vận hành xuống còn một người, tiết kiệm chi phí lao động khoảng 30-40% so với sản xuất thủ công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp máy đạt hiệu quả cao là do việc lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu cấp phôi bằng xy lanh khí nén và cơ cấu ép ống bằng con lô bọc cao su, giúp giữ ống chắc chắn trong quá trình mài, tránh rung lắc và biến dạng. So với các máy mài cầm tay hoặc bán tự động, máy tự động này giảm thiểu sự phụ thuộc vào tay nghề người vận hành, đồng thời tăng tính liên tục và ổn định trong sản xuất.

Kết quả thử nghiệm tại Công ty TNHH Ống Hút Tre Việt Bắc cho thấy máy vận hành ổn định trong môi trường sản xuất thực tế, không gây tiếng ồn lớn, thân thiện với môi trường và dễ dàng bảo trì. Biểu đồ năng suất so sánh giữa các loại máy cho thấy máy tự động vượt trội về số lượng và chất lượng sản phẩm.

Tuy nhiên, một số chi tiết máy còn phức tạp trong gia công, đòi hỏi kỹ thuật cao và chi phí đầu tư ban đầu tương đối lớn. Đây là thách thức cần được giải quyết trong các nghiên cứu tiếp theo nhằm giảm giá thành và nâng cao tính phổ biến của máy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp trong vòng 6-12 tháng tại các doanh nghiệp sản xuất ống hút tre để đánh giá hiệu quả vận hành và điều chỉnh thiết kế phù hợp với đa dạng kích thước ống hút.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển tự động bằng việc tích hợp cảm biến và bộ điều khiển lập trình PLC nhằm tăng tính chính xác và giảm thiểu lỗi vận hành, dự kiến hoàn thành trong 1 năm.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì máy cho các cơ sở sản xuất, giúp nâng cao kỹ năng và giảm thiểu sự cố kỹ thuật, thực hiện liên tục trong quá trình chuyển đổi sang sản xuất tự động.

  4. Nghiên cứu phát triển các loại đai mài mới với vật liệu và cấu trúc cải tiến nhằm tăng tuổi thọ đai, giảm chi phí bảo trì và nâng cao chất lượng bề mặt ống hút, dự kiến trong 2 năm tới.

  5. Khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư đổi mới công nghệ thông qua các chính sách hỗ trợ tài chính và kỹ thuật từ các cơ quan quản lý nhằm thúc đẩy sản xuất xanh, bền vững và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất ống hút tre và các sản phẩm từ tre nứa: Có thể áp dụng mô hình máy mài tự động để nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công và cải thiện chất lượng sản phẩm.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy: Tham khảo quy trình thiết kế, tính toán truyền động và phương pháp thử nghiệm máy mài thân ống tre, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tương tự.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp xanh: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ thân thiện môi trường, thúc đẩy sản xuất bền vững.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp khởi nghiệp trong lĩnh vực sản xuất vật liệu thân thiện môi trường: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất ống hút tre, mở rộng quy mô và thị trường tiêu thụ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy mài ống hút tre tự động có thể xử lý các kích thước ống khác nhau không?
    Máy được thiết kế để mài ống có đường kính ngoài từ 7 đến 15 mm và chiều dài 20-21 cm. Cơ cấu giữ ống linh hoạt cho phép điều chỉnh dễ dàng để phù hợp với các kích thước trong phạm vi này, đảm bảo chất lượng mài đồng đều.

  2. Năng suất của máy so với phương pháp thủ công và bán tự động như thế nào?
    Máy đạt năng suất khoảng 80% so với mục tiêu 12 ống/phút, tức khoảng 9,6 ống/phút, cao hơn đáng kể so với máy bán tự động (khoảng 7-8 ống/phút) và gấp nhiều lần so với sản xuất thủ công.

  3. Chi phí đầu tư ban đầu cho máy có cao không?
    Chi phí đầu tư ban đầu tương đối hợp lý so với các máy tự động trên thị trường, nhờ thiết kế tối ưu và sử dụng các linh kiện phổ biến. Ngoài ra, chi phí vận hành và bảo trì thấp do tính tự động hóa cao và dễ dàng thay thế linh kiện.

  4. Máy có thân thiện với môi trường không?
    Máy sử dụng năng lượng điện và khí nén, vận hành ổn định, không phát sinh chất thải độc hại. Sản phẩm ống hút tre sau khi mài giữ nguyên tính tự nhiên, không sử dụng hóa chất, góp phần giảm thiểu rác thải nhựa.

  5. Có thể áp dụng máy trong dây chuyền sản xuất tự động lớn hơn không?
    Hoàn toàn có thể. Máy được thiết kế với tính liên hoàn và liên tục, dễ dàng tích hợp vào dây chuyền sản xuất tự động hóa quy mô công nghiệp, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đồng bộ.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy mài thân ống hút tre tự động, đạt năng suất 80% so với mục tiêu đề ra.
  • Máy cải thiện chất lượng sản phẩm, loại bỏ ba-via, không làm méo đầu ống, giữ nguyên lớp cật tre bảo vệ.
  • Hệ thống truyền động và cơ cấu cấp phôi được tối ưu, giảm thiểu nhân công và chi phí vận hành.
  • Kết quả thử nghiệm tại doanh nghiệp cho thấy máy vận hành ổn định, thân thiện môi trường và dễ bảo trì.
  • Đề xuất tiếp tục nâng cấp hệ thống điều khiển, mở rộng ứng dụng và đào tạo nhân lực để thúc đẩy sản xuất tự động hóa trong ngành ống hút tre.

Luận văn mở ra hướng phát triển công nghệ sản xuất ống hút tre tự động, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp công nghệ này nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng.