Tổng quan nghiên cứu

Nấm linh chi là một dược liệu quý giá, được xếp trên cả nhân sâm về giá trị y học và kinh tế. Theo báo cáo ngành, năm 2008, lượng tiêu thụ nấm linh chi tại Việt Nam đạt khoảng 70 tấn, trong đó nhập khẩu từ Trung Quốc chiếm 36 tấn và từ Hàn Quốc khoảng 7 tấn. Dự báo đến năm 2010, nhu cầu tiêu thụ sẽ tăng lên 100 tấn/năm, phản ánh tiềm năng phát triển mạnh mẽ của ngành trồng nấm linh chi trong nước. Tuy nhiên, quy trình sản xuất hiện nay chủ yếu thủ công, gây hạn chế về năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc ứng dụng máy móc tự động hóa trong đóng bịch phôi nấm linh chi là một giải pháp thiết thực nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí nhân công và đảm bảo chất lượng đồng đều.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình bộ phận định lượng và vô bịch máy đóng bịch nấm linh chi, dựa trên quy trình nuôi cấy nấm linh chi phổ biến tại Việt Nam. Mục tiêu cụ thể là xác định các thông số kỹ thuật đầu vào như góc nghiêng thùng chứa nguyên liệu, độ ẩm mùn cưa và số lần nén piston để tính toán thiết kế bộ phận máy, từ đó mô hình hóa và chế tạo thiết bị phù hợp. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thiết kế bộ phận định lượng và vô bịch, với các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và môi trường sản xuất thực tế tại TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ cơ khí trong ngành trồng nấm, nâng cao năng suất lên đến 1000 bịch/giờ, giảm nhân công vận hành còn 2 người, đồng thời đảm bảo an toàn và thân thiện với môi trường.

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 tự động, trong đó có:

  • Lý thuyết piston và xy lanh khí nén: Tính toán lực nén, hành trình và áp suất khí nén để đảm bảo hoạt động ổn định của piston trong quá trình định lượng nguyên liệu.
  • Mô hình truyền động xích băng tải: Tính toán lực kéo, hệ số ma sát và tốc độ truyền động để thiết kế băng tải xích vận chuyển khay chứa phôi nấm.
  • Khái niệm định lượng theo thể tích và trọng lượng: Sử dụng cân điện tử loadcell để đo chính xác khối lượng nguyên liệu, kết hợp với cơ cấu piston để điều chỉnh lượng nguyên liệu đưa vào bịch.
  • Tự động hóa và điều khiển PLC: Ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 với các nút nhấn điều khiển (chạy, dừng, dừng khẩn cấp) nhằm đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: piston khí nén, băng tải xích, loadcell định lượng, PLC điều khiển tự động, và nguyên lý đóng bịch phôi nấm linh chi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các thí nghiệm thực tế đo góc nghiêng thùng chứa nguyên liệu, độ ẩm mùn cưa (55%, 60%, 65%) và số lần nén piston (1-3 lần) để xác định các thông số đầu vào cho thiết kế. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều lần lặp lại với các điều kiện khác nhau nhằm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của số liệu.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích số liệu thí nghiệm: Xử lý dữ liệu đo lường chiều cao nguyên liệu trong bịch, khối lượng nguyên liệu, và hiệu quả nén để xác định mối quan hệ giữa các yếu tố.
  • Mô hình hóa CAD: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để thiết kế mô hình 3D bộ phận định lượng và vô bịch, giúp kiểm tra tính khả thi và tối ưu hóa kết cấu.
  • Chế tạo và chạy thử nghiệm: Lắp ráp bộ phận máy theo bản vẽ thiết kế, tiến hành chạy thử nhiều lần để phát hiện và khắc phục lỗi, đánh giá hiệu suất máy.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 03/2016 đến tháng 10/2017, bao gồm giai đoạn khảo sát, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.

Phương pháp chọn mẫu thí nghiệm dựa trên các mức độ độ ẩm và góc nghiêng phổ biến trong thực tế nuôi trồng nấm linh chi tại Việt Nam, nhằm đảm bảo tính ứng dụng cao của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ ẩm và góc nghiêng thùng chứa nguyên liệu: Thí nghiệm cho thấy với độ ẩm mùn cưa 60% và góc nghiêng 45 độ, nguyên liệu được định lượng ổn định nhất, đạt hiệu suất nén cao và đồng đều. So với góc nghiêng 50 độ, lượng nguyên liệu còn lại trong thùng giảm khoảng 15%, giúp tăng hiệu quả sử dụng nguyên liệu.

  2. Tác động của số lần nén piston: Khi piston nén 2 lần với độ ẩm 60%, chiều cao nguyên liệu trong bịch đạt mức tối ưu, tăng 12% so với nén 1 lần, đồng thời giảm hiện tượng rỗng trong bịch. Nén 3 lần không mang lại cải thiện đáng kể, thậm chí làm giảm năng suất do thời gian nén kéo dài.

  3. Năng suất và hiệu quả máy: Máy chế tạo có kích thước 1500x430x1500 mm, sử dụng động cơ E 3114 - 414 - E2, nguồn điện 220V AC, đạt năng suất 1000 bịch/giờ với 2 nhân công vận hành. So với các máy đóng bịch hiện có trên thị trường (năng suất 700-900 bịch/giờ), máy nghiên cứu có hiệu suất cao hơn khoảng 10-15%.

  4. Độ chính xác định lượng: Sử dụng cân loadcell kết hợp piston khí nén giúp định lượng nguyên liệu theo trọng lượng chính xác, giảm sai số dưới 5% so với phương pháp định lượng thể tích truyền thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm và chế tạo cho thấy việc điều chỉnh độ ẩm mùn cưa và góc nghiêng thùng chứa nguyên liệu là yếu tố quan trọng để đảm bảo nguyên liệu được cấp đều và chính xác. Số lần nén piston cần được tối ưu để cân bằng giữa chất lượng bịch và năng suất máy. So với các nghiên cứu trước đây, mô hình máy được thiết kế nhỏ gọn, dễ chế tạo và vận hành phù hợp với điều kiện sản xuất nấm linh chi tại Việt Nam.

Việc ứng dụng PLC S7-200 trong điều khiển giúp tăng tính tự động hóa, giảm thiểu sai sót do con người và nâng cao an toàn vận hành. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ ẩm, góc nghiêng và chiều cao nguyên liệu trong bịch có thể minh họa rõ ràng hiệu quả của các thông số thiết kế.

So với các máy đóng bịch nhập khẩu có giá thành cao và kích thước lớn, máy nghiên cứu có ưu điểm về chi phí đầu tư thấp, phù hợp với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, góp phần thúc đẩy phát triển ngành trồng nấm linh chi trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng tự động hóa trong đóng bịch: Triển khai rộng rãi bộ phận định lượng và vô bịch sử dụng piston khí nén và cân loadcell để nâng cao độ chính xác và năng suất, hướng tới mục tiêu đạt 1200 bịch/giờ trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các cơ sở sản xuất máy móc cơ khí và doanh nghiệp nông nghiệp.

  2. Đào tạo vận hành và bảo trì máy: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho người vận hành nhằm đảm bảo sử dụng máy hiệu quả, giảm thiểu hỏng hóc và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo dự kiến 3 tháng, do các trường đại học kỹ thuật phối hợp với doanh nghiệp thực hiện.

  3. Nghiên cứu cải tiến vật liệu và thiết kế thùng chứa nguyên liệu: Tối ưu hóa vật liệu thùng chứa và cơ cấu điều chỉnh góc nghiêng để phù hợp với nhiều loại nguyên liệu khác nhau, nâng cao tính linh hoạt của máy. Thời gian nghiên cứu 1 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học đảm nhiệm.

  4. Phát triển hệ thống điều khiển thông minh: Áp dụng công nghệ IoT và cảm biến để giám sát quá trình đóng bịch, tự động điều chỉnh thông số vận hành theo điều kiện thực tế, giảm thiểu lỗi và tăng hiệu quả sản xuất. Chủ thể thực hiện là các công ty công nghệ và nhà sản xuất máy móc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất máy móc nông nghiệp: Luận văn cung cấp cơ sở thiết kế và chế tạo bộ phận định lượng và vô bịch, giúp các doanh nghiệp phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường trồng nấm linh chi.

  2. Người trồng nấm linh chi và doanh nghiệp nông nghiệp: Tham khảo để hiểu rõ quy trình đóng bịch tự động, từ đó áp dụng công nghệ nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu về tự động hóa trong nông nghiệp và thiết kế máy cơ khí.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển ngành nông nghiệp: Hỗ trợ xây dựng chính sách khuyến khích ứng dụng công nghệ trong sản xuất nấm, góp phần phát triển ngành nông nghiệp bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy đóng bịch nấm linh chi này có năng suất như thế nào?
    Máy đạt năng suất khoảng 1000 bịch/giờ, cao hơn 10-15% so với các máy đóng bịch phổ biến trên thị trường, giúp tăng hiệu quả sản xuất đáng kể.

  2. Nguyên liệu mùn cưa cần có độ ẩm bao nhiêu để máy hoạt động tốt?
    Độ ẩm mùn cưa tối ưu là khoảng 60%, kết hợp với góc nghiêng thùng chứa 45 độ giúp nguyên liệu được cấp đều và nén chặt, đảm bảo chất lượng bịch.

  3. Số lượng nhân công vận hành máy là bao nhiêu?
    Chỉ cần 2 người vận hành máy, giảm đáng kể so với phương pháp thủ công, giúp tiết kiệm chi phí nhân công và tăng tính ổn định trong sản xuất.

  4. Máy có dễ dàng sử dụng và bảo trì không?
    Máy được thiết kế đơn giản, sử dụng truyền động khí nén và điều khiển PLC, dễ vận hành và bảo trì, phù hợp với trình độ kỹ thuật của người nông dân Việt Nam.

  5. Máy có thể áp dụng cho các loại bịch khác nhau không?
    Hiện tại bộ phận định lượng được thiết kế cố định theo thể tích, để thay đổi trọng lượng nguyên liệu cần điều chỉnh thiết kế bộ phận định lượng, do đó máy phù hợp với các loại bịch có kích thước tương đồng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình bộ phận định lượng và vô bịch máy đóng bịch nấm linh chi với năng suất 1000 bịch/giờ, vận hành bởi 2 nhân công.
  • Thí nghiệm xác định các thông số kỹ thuật quan trọng như độ ẩm mùn cưa 60%, góc nghiêng thùng chứa 45 độ và số lần nén piston 2 lần để tối ưu hiệu quả định lượng.
  • Ứng dụng công nghệ khí nén và cân loadcell giúp định lượng chính xác, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm sai số dưới 5%.
  • Máy có thiết kế nhỏ gọn, dễ chế tạo và vận hành, phù hợp với điều kiện sản xuất nấm linh chi tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao tự động hóa, đào tạo vận hành và phát triển công nghệ điều khiển thông minh trong giai đoạn tiếp theo.

Khuyến khích các cơ sở sản xuất và nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện và ứng dụng mô hình này để thúc đẩy ngành trồng nấm linh chi phát triển bền vững. Để biết thêm chi tiết kỹ thuật và hướng dẫn vận hành, độc giả có thể liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.