Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào chế tạo máy móc phục vụ chế biến nông sản ngày càng trở nên cấp thiết. Hạt sen là một trong những nguyên liệu quý giá, được sử dụng rộng rãi trong ẩm thực và y học truyền thống, đặc biệt tại các vùng trồng sen lớn như Đồng Tháp. Tuy nhiên, khâu tách vỏ hạt sen tươi hiện nay chủ yếu thực hiện thủ công, dẫn đến năng suất thấp, mất vệ sinh và chi phí sản xuất cao. Theo ước tính, năng suất tách vỏ thủ công chỉ đạt khoảng 7-8 kg/người/8 giờ, trong khi đó các phương pháp cơ giới hiện có vẫn chưa tối ưu về hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo máy tách vỏ hạt sen tươi nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng nhân sen không bị đứt, nứt, đồng thời giảm chi phí lao động và tăng tính an toàn vệ sinh thực phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hạt sen tươi có nguồn gốc từ tỉnh Đồng Tháp, với năng suất máy hướng tới khoảng 100 kg/ngày, phù hợp cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển ngành chế biến hạt sen mà còn thúc đẩy ngành kỹ thuật cơ khí chế tạo máy trong nước, đồng thời hỗ trợ nâng cao đời sống người nông dân và phát triển kinh tế địa phương.

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 quá trình tách vỏ hạt sen tươi, bao gồm:

  • Kỹ thuật tách vỏ: Quá trình tác dụng lực cơ học lên lớp vỏ nhằm phá vỡ lớp vỏ mà không làm tổn hại đến nhân bên trong. Các phương pháp cơ bản gồm ép, cắt, chẻ, bẻ và va đập. Do đặc tính mềm và dai của hạt sen tươi, phương pháp cắt kết hợp ép được lựa chọn để đảm bảo hiệu quả tách vỏ.

  • Lý thuyết cắt gọt: Tập trung vào thiết kế và tính toán các thông số hình học của dao cắt như độ sắc, góc cắt, vận tốc dao cắt và điều kiện trượt của lưỡi dao trên vật liệu. Vận tốc dao cắt tối ưu được xác định trong khoảng 35-40 m/s để giảm lực cắt và tăng tuổi thọ dao.

  • Lý thuyết guồng tải: Áp dụng trong thiết kế bộ phận cấp phôi hạt sen, bao gồm tính toán dung tích gầu, vận tốc kéo, lực căng và công suất động cơ. Các thông số này đảm bảo quá trình cấp phôi ổn định, liên tục và phù hợp với năng suất yêu cầu.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu là: lực cắt và ép trong tách vỏ, thiết kế dao cắt và bộ gá dao, cũng như cơ cấu cấp phôi bằng guồng tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ nhiều kênh: khảo sát thực tế tại các cơ sở sản xuất hạt sen ở Đồng Tháp, thu thập tài liệu khoa học trong và ngoài nước, đồng thời sử dụng các phần mềm chuyên dụng như AutoCAD 2015, Autodesk Inventor Professional 2015 và IBM SPSS Statistics 20 để thiết kế và phân tích.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Tổng hợp và xử lý số liệu về đặc tính hạt sen, nguyên lý hoạt động của các máy tách vỏ hiện có, từ đó đề xuất nguyên lý thiết kế máy mới.

  • Thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy tách vỏ hạt sen tươi với cỡ mẫu thử nghiệm khoảng 100 kg hạt sen/ngày. Các thông số như lực ép cắt, tốc độ băng tải, hiệu suất tách vỏ được đo đạc và đánh giá.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm thống kê để xử lý kết quả thử nghiệm, đánh giá hiệu quả và độ ổn định của máy.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 5/2016 đến tháng 10/2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất tách vỏ đạt 87,3%: Máy tách vỏ hạt sen tươi do tác giả thiết kế và chế tạo đạt hiệu suất tách vỏ khoảng 87,3%, cao hơn đáng kể so với phương pháp thủ công (khoảng 85%) và các máy nhập khẩu hiện có chưa công bố chính thức số liệu.

  2. Chất lượng nhân sen đảm bảo: Tỷ lệ nhân sen không bị đứt, nứt đạt trên 90%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về chất lượng sản phẩm, giảm thiểu tổn thất nguyên liệu so với các phương pháp cơ giới khác có tỷ lệ nhân vỡ lên đến 10-30%.

  3. Cơ cấu cấp phôi ổn định: Việc sử dụng guồng tải với dung tích gầu và vận tốc kéo được tính toán chính xác giúp cấp phôi liên tục, giảm thiểu hiện tượng kẹt phôi, đảm bảo vận hành trơn tru.

  4. Vận tốc dao cắt tối ưu: Vận tốc dao cắt được thiết kế trong khoảng 35-40 m/s, phù hợp với đặc tính vật liệu hạt sen tươi, giúp giảm lực cắt và tăng tuổi thọ dao, đồng thời giảm tiếng ồn và rung động khi vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy máy tách vỏ hạt sen tươi hoạt động hiệu quả, năng suất cao và chất lượng sản phẩm đảm bảo. So với các máy tách vỏ nhập khẩu như máy TZ và DYL-200, máy do tác giả phát triển có ưu điểm về thiết kế đơn giản, dễ bảo trì, không cần hệ thống bơm trợ lực phức tạp, đồng thời giảm thiểu tổn thất nhân sen do dập nát.

Nguyên nhân của hiệu suất cao là do việc áp dụng đúng nguyên lý cắt kết hợp ép, thiết kế dao cắt sắc bén với góc cắt và vận tốc phù hợp, cùng với cơ cấu cấp phôi guồng tải được tối ưu hóa. Các biểu đồ lực cắt theo vận tốc dao cắt và phân tích lực tác động giữa dao và vật liệu minh họa rõ ràng sự giảm lực cắt khi vận tốc dao đạt mức tối ưu.

So với phương pháp thủ công, máy tách vỏ giúp tăng năng suất lao động gấp khoảng 10 lần, đồng thời giảm chi phí nhân công và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Kết quả này phù hợp với xu hướng cơ giới hóa trong ngành chế biến nông sản, góp phần nâng cao giá trị thương phẩm và phát triển kinh tế địa phương.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất máy tách vỏ hạt sen quy mô nhỏ và vừa: Khuyến khích các cơ sở chế biến hạt sen tại các vùng trồng sen lớn như Đồng Tháp áp dụng máy để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong vòng 6-12 tháng tới.

  2. Đào tạo vận hành và bảo trì máy cho người lao động: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành, bảo dưỡng máy nhằm đảm bảo máy hoạt động ổn định, giảm thiểu sự cố kỹ thuật, dự kiến thực hiện trong 3 tháng đầu sau khi đưa máy vào sử dụng.

  3. Nghiên cứu phát triển thêm các bộ phận tự động phân loại vỏ và nhân sen: Mở rộng nghiên cứu để hoàn thiện dây chuyền chế biến hạt sen tươi, nâng cao tính tự động hóa, dự kiến trong vòng 1-2 năm tiếp theo.

  4. Hỗ trợ chính sách và đầu tư phát triển công nghệ chế tạo máy trong nước: Đề xuất các cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp đầu tư phát triển công nghệ chế tạo máy nông nghiệp, nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ sở sản xuất và chế biến hạt sen: Giúp nâng cao năng suất, giảm chi phí lao động và cải thiện chất lượng sản phẩm, từ đó tăng lợi nhuận và mở rộng thị trường.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Cung cấp tài liệu tham khảo về thiết kế, tính toán và chế tạo máy tách vỏ hạt sen, đồng thời áp dụng các lý thuyết cắt gọt và guồng tải trong thực tế.

  3. Doanh nghiệp sản xuất máy móc nông nghiệp: Tham khảo để phát triển sản phẩm máy móc chế biến nông sản phù hợp với điều kiện Việt Nam, nâng cao tính cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và chính sách phát triển nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ cơ giới hóa trong chế biến nông sản, thúc đẩy phát triển kinh tế vùng nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy tách vỏ hạt sen tươi có năng suất như thế nào so với phương pháp thủ công?
    Máy đạt năng suất khoảng 100 kg/ngày, gấp hơn 10 lần so với năng suất thủ công chỉ khoảng 7-8 kg/người/8 giờ, giúp tiết kiệm thời gian và công sức đáng kể.

  2. Chất lượng nhân sen sau khi tách bằng máy có đảm bảo không bị vỡ hay nứt?
    Tỷ lệ nhân không bị đứt, nứt đạt trên 90%, đảm bảo chất lượng sản phẩm cao, phù hợp cho chế biến các món ăn và dược liệu.

  3. Máy có dễ vận hành và bảo trì không?
    Máy được thiết kế đơn giản, vận hành dễ dàng và bảo trì thuận tiện với các thiết bị thay thế phổ biến trên thị trường, phù hợp cho các cơ sở vừa và nhỏ.

  4. Nguyên lý hoạt động của máy tách vỏ hạt sen là gì?
    Máy sử dụng lực cắt của dao để tạo vết cắt quanh chu vi hạt sen, sau đó dùng lực ép của thanh gá dao và băng tải để tách vỏ mà không làm tổn hại nhân bên trong.

  5. Máy có thể áp dụng cho các loại hạt khác không?
    Hiện máy được thiết kế chuyên biệt cho hạt sen tươi với kích thước và đặc tính vật liệu riêng, tuy nhiên nguyên lý có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các loại hạt có cấu trúc tương tự.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy tách vỏ hạt sen tươi với hiệu suất tách vỏ đạt 87,3%, vượt trội so với phương pháp thủ công.
  • Máy đảm bảo chất lượng nhân sen không bị đứt, nứt, phù hợp cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
  • Ứng dụng lý thuyết cắt gọt và guồng tải giúp tối ưu hóa thiết kế, nâng cao hiệu quả vận hành.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy cơ giới hóa trong chế biến nông sản, nâng cao giá trị sản phẩm và phát triển kinh tế địa phương.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, đào tạo vận hành và nghiên cứu phát triển thêm các bộ phận tự động hóa trong dây chuyền chế biến hạt sen.

Hành động tiếp theo: Các cơ sở sản xuất và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm máy trong thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến để hoàn thiện sản phẩm. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ với Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.