Tổng quan nghiên cứu

Cây dừa, đặc biệt là dừa xiêm, là một trong những sản phẩm nông nghiệp chủ lực của các tỉnh miền Tây Nam Bộ, đóng góp quan trọng vào nền kinh tế nông nghiệp Việt Nam. Với diện tích trồng khoảng 150 nghìn ha, dừa không chỉ phục vụ nhu cầu trong nước mà còn có tiềm năng xuất khẩu lớn. Nhu cầu sử dụng nước dừa làm nước giải khát ngày càng tăng, đồng thời việc xuất khẩu dừa tươi cũng được đẩy mạnh. Tuy nhiên, công đoạn gọt vỏ và tạo hình dừa hiện nay chủ yếu thực hiện thủ công, dẫn đến năng suất thấp, sản phẩm không đồng đều về kích thước và thẩm mỹ, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ tai nạn lao động cao.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một máy gọt dừa tự động nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều, đáp ứng yêu cầu xuất khẩu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dừa xiêm có khối lượng từ 1,6 đến 1,8 kg, chủ yếu tại các cơ sở sản xuất ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc cơ giới hóa quy trình chế biến dừa, góp phần tăng giá trị kinh tế cho cây dừa, giảm sức lao động thủ công và nâng cao an toàn lao động.

Theo báo cáo ngành, các máy gọt dừa bán tự động và tự động trên thế giới, như ở Thái Lan, Malaysia và Ấn Độ, vẫn còn nhiều hạn chế về tự động hóa và năng suất. Tại Việt Nam, chưa có máy gọt dừa tự động hoàn chỉnh nào được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển máy gọt dừa tự động là cấp thiết để 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 các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí, đặc biệt là các nguyên lý về cơ cấu chuyển động, động học máy và công nghệ gia công gỗ áp dụng cho vật liệu xơ dừa. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Nguyên lý tiện ngang: Áp dụng cho quá trình gọt vỏ dừa, tận dụng hình dạng tròn xoay của trái dừa để thiết kế cơ cấu dao cắt chuyển động tịnh tiến ngang, tạo hình sản phẩm đồng đều và chính xác.

  2. Cơ cấu định vị và truyền động tự động: Thiết kế các cụm định vị dừa, dao gọt thân, dao gọt chóp và dao cắt đáy với cơ cấu piston khí nén và cảm biến lực, đảm bảo tự động hóa toàn bộ quá trình gọt và cắt.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: góc cắt dao (β), góc nghiêng dao, lực cắt, cơ cấu piston khí nén, cảm biến lực, và các thông số hình học của dao cắt phù hợp với đặc tính vật liệu xơ dừa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực tế tại các cơ sở sản xuất dừa xiêm ở Đồng bằng sông Cửu Long, kết hợp với các tài liệu khoa học, báo cáo ngành và nghiên cứu máy gọt dừa trên thế giới. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp, phân tích tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật cơ khí, công nghệ chế biến dừa và các máy gọt dừa hiện có.

  • Phương pháp khảo sát và điều tra thực tế: Thu thập số liệu về kích thước, trọng lượng, đặc tính vật liệu của dừa xiêm xanh và đỏ; khảo sát quy trình gọt dừa thủ công và bán tự động.

  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm máy gọt dừa tự động; tiến hành các thí nghiệm xác định các thông số hình học dao cắt, chế độ hoạt động (tốc độ vòng quay, lực cắt) và hiệu suất máy.

  • Phương pháp xử lý số liệu: Sử dụng ma trận quy hoạch thực nghiệm và phân tích phương sai để xác định các thông số tối ưu cho máy gọt dừa.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm nhiều trái dừa xiêm có trọng lượng từ 1,6 đến 1,8 kg, được chọn ngẫu nhiên tại cơ sở sản xuất. Phương pháp chọn mẫu đảm bảo tính đại diện cho đặc tính vật liệu và kích thước dừa trong vùng nghiên cứu. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ khảo sát đến hoàn thiện thiết kế và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thông số hình học và chế độ hoạt động của dao cắt: Qua thực nghiệm, góc cắt dao thích hợp cho vỏ dừa có đường kính ≤ 40 mm là β = 25°–35°, với đường kính ≥ 40 mm là β = 35°–45°. Tốc độ vòng quay dao được xác định khoảng 1200 vòng/phút, lực cắt trung bình đạt 46,5 N trong giai đoạn trưởng thành của vỏ dừa, giúp giảm thiểu phế phẩm và đảm bảo thẩm mỹ sản phẩm.

  2. Hiệu suất máy gọt dừa tự động: Máy thử nghiệm đạt năng suất khoảng 80–100 trái/giờ, cao hơn gấp đôi so với phương pháp thủ công (khoảng 30–40 trái/giờ). Sản phẩm sau gọt có kích thước đồng đều với sai số ±0,5 cm, đáp ứng yêu cầu xuất khẩu về hình dáng và trọng lượng (1,0 ± 0,1 kg).

  3. Độ tin cậy của cơ cấu định vị dừa: Phương án định vị bằng phểu chụp kết hợp cảm biến lực cho độ ổn định cao hơn 15% so với phương án dùng cảm biến từ, giảm thiểu sai lệch vị trí dừa trong quá trình gọt, từ đó giảm tỷ lệ phế phẩm xuống dưới 5%.

  4. An toàn lao động và giảm sức lao động thủ công: Máy gọt dừa tự động giúp giảm 70% nguy cơ tai nạn so với gọt thủ công, đồng thời giảm sức lao động trực tiếp, tạo điều kiện thuận lợi cho người lao động.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng nguyên lý tiện ngang và cơ cấu piston khí nén trong thiết kế máy gọt dừa tự động là phù hợp với đặc tính vật liệu và hình dạng trái dừa xiêm. So với các máy bán tự động trên thế giới, máy nghiên cứu có ưu điểm tự động hóa toàn bộ quá trình gọt thân, gọt chóp và cắt đáy, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Biểu đồ lực cắt và độ cứng vỏ dừa sau khi thụ phấn được sử dụng để điều chỉnh chế độ hoạt động của dao, giúp tối ưu hóa quá trình gọt, giảm hao hụt nguyên liệu. Bảng so sánh các phương án định vị và gọt thân cho thấy phương án sử dụng cảm biến lực có độ tin cậy và ổn định cao hơn, mặc dù chi phí đầu tư cao hơn nhưng mang lại hiệu quả kinh tế dài hạn.

So với nghiên cứu trước đây tại Việt Nam và các nước trong khu vực, máy gọt dừa tự động này có khả năng đáp ứng yêu cầu xuất khẩu với sản phẩm đồng đều về kích thước và thẩm mỹ, đồng thời giảm thiểu phế phẩm và tăng năng suất lao động. Việc ứng dụng máy sẽ góp phần thúc đẩy công nghiệp chế biến dừa, nâng cao giá trị kinh tế cho cây dừa và cải thiện điều kiện lao động cho người dân.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất và ứng dụng máy gọt dừa tự động tại các cơ sở chế biến dừa: Khuyến khích các doanh nghiệp và hợp tác xã đầu tư máy trong vòng 12 tháng tới nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm xuất khẩu.

  2. Đào tạo kỹ thuật vận hành và bảo trì máy cho người lao động: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu trong 6 tháng để đảm bảo vận hành hiệu quả, giảm thiểu sự cố kỹ thuật và tăng tuổi thọ máy.

  3. Nghiên cứu mở rộng thiết kế cho các loại dừa khác: Tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh thông số máy để áp dụng cho các giống dừa có kích thước và đặc tính khác nhau, mở rộng phạm vi ứng dụng trong 1-2 năm tới.

  4. Phát triển hệ thống cấp liệu và thu sản phẩm tự động hoàn toàn: Đầu tư nghiên cứu và phát triển cơ cấu cấp dừa và thu sản phẩm tự động nhằm giảm sức lao động thủ công, hoàn thiện quy trình sản xuất khép kín trong 18 tháng tiếp theo.

  5. Hỗ trợ chính sách và tài chính cho các cơ sở sản xuất dừa: Đề xuất các chính sách ưu đãi về vốn vay, thuế và hỗ trợ kỹ thuật từ các cơ quan quản lý để thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến và xuất khẩu dừa: Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giúp doanh nghiệp tăng sức cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

  2. Các cơ sở sản xuất nông nghiệp và hợp tác xã trồng dừa: Áp dụng máy gọt dừa tự động để giảm sức lao động thủ công, tăng hiệu quả sản xuất và thu nhập cho người dân.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ chế biến nông sản: Tài liệu tham khảo về thiết kế máy móc tự động, ứng dụng kỹ thuật cơ khí trong chế biến thực phẩm.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghiệp chế biến dừa, thúc đẩy công nghiệp hóa nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy gọt dừa tự động có thể áp dụng cho các loại dừa khác ngoài dừa xiêm không?
    Máy được thiết kế tối ưu cho dừa xiêm có khối lượng 1,6-1,8 kg. Tuy nhiên, với một số điều chỉnh về thông số dao cắt và cơ cấu định vị, máy có thể áp dụng cho các loại dừa có kích thước tương tự. Nghiên cứu mở rộng đang được tiến hành để đa dạng hóa ứng dụng.

  2. Năng suất của máy gọt dừa tự động so với phương pháp thủ công như thế nào?
    Máy đạt năng suất khoảng 80-100 trái/giờ, cao gấp hơn 2 lần so với năng suất thủ công chỉ khoảng 30-40 trái/giờ. Điều này giúp giảm thời gian sản xuất và tăng khả năng cung ứng sản phẩm cho thị trường.

  3. Máy có đảm bảo an toàn lao động cho người vận hành không?
    Máy được thiết kế với các cơ cấu bảo vệ và tự động hóa cao, giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp với dao cắt, từ đó giảm 70% nguy cơ tai nạn so với gọt thủ công. Tuy nhiên, vẫn cần đào tạo vận hành đúng quy trình để đảm bảo an toàn tối đa.

  4. Chi phí đầu tư máy gọt dừa tự động có phù hợp với các cơ sở sản xuất nhỏ không?
    Chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn so với máy bán tự động hoặc thủ công, nhưng với năng suất và chất lượng sản phẩm cải thiện, máy phù hợp với các cơ sở có quy mô vừa và lớn, đặc biệt là các doanh nghiệp xuất khẩu. Các chính sách hỗ trợ tài chính có thể giúp giảm gánh nặng chi phí.

  5. Quy trình bảo trì và sửa chữa máy có phức tạp không?
    Máy sử dụng các cơ cấu piston khí nén và cảm biến lực đơn giản, dễ dàng bảo trì. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì trong 6 tháng sẽ giúp các cơ sở chủ động xử lý sự cố và duy trì hiệu suất máy ổn định.

Kết luận

  • Đã đề xuất và thiết kế thành công máy gọt dừa tự động phù hợp với đặc tính dừa xiêm, đạt năng suất 80-100 trái/giờ và sản phẩm đồng đều về kích thước, thẩm mỹ.
  • Xác định các thông số hình học dao cắt và chế độ hoạt động tối ưu dựa trên đặc tính vật liệu xơ dừa và kết quả thực nghiệm.
  • Phương án định vị dừa bằng phểu chụp kết hợp cảm biến lực cho độ tin cậy và ổn định cao, giảm tỷ lệ phế phẩm dưới 5%.
  • Máy góp phần giảm sức lao động thủ công, tăng an toàn lao động và nâng cao giá trị kinh tế cho cây dừa.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm triển khai sản xuất, đào tạo vận hành, mở rộng ứng dụng và phát triển hệ thống cấp liệu tự động.

Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý trong lĩnh vực công nghiệp chế biến nông sản. Để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi, cần phối hợp giữa các bên liên quan trong việc đầu tư, đào tạo và hoàn thiện công nghệ.