Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, nhu cầu tiêu thụ bánh tráng rế – nguyên liệu chính để làm món chả giò rế truyền thống của Việt Nam – đã tăng mạnh cả trong nước và xuất khẩu. Cơ sở sản xuất bánh tráng rế Phong Phú tại Tiền Giang hiện có năng suất khoảng 3-4 tấn bánh mỗi tháng, với 7 công nhân lành nghề và 3 công nhân thời vụ, sử dụng 4 thiết bị bán tự động. Tuy nhiên, năng suất không ổn định do công nhân thời vụ nghỉ làm thường xuyên và thiết bị bán tự động hay hư hỏng, gây mất đơn hàng lớn, đặc biệt với đối tác Đài Loan. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát quy trình sản xuất thủ công và thiết bị hiện có, từ đó đề xuất phương pháp tạo hình bánh rế cải tiến, thiết kế và chế tạo thiết bị bán tự động mới, đạt năng suất 80 kg bột/ngày, vận hành 2 ca mỗi ca 5 tiếng, đảm bảo chất lượng bánh theo tiêu chuẩn về hình dạng, kích thước và khối lượng. Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 09/2016 đến tháng 08/2017 tại cơ sở Phong Phú, với ý nghĩa nâng cao năng suất, ổn định chất lượng sản phẩm, giảm sức lao động và góp phần hiện đại hóa sản xuất nông nghiệp truyền thống. Kết quả dự kiến sẽ giúp cơ sở mở rộng thị trường, tăng lợi nhuận và tạo tiền đề cho phát triển thiết bị tự động hóa tương tự.

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 và điều khiển tự động, bao gồm:

  • Thiết kế kết hợp chuyển động đẳng hướng: Ứng dụng bộ truyền đai răng và vitme bi để kiểm soát vị trí chính xác trong chuyển động hai phương X và Y, giúp di chuyển cơ cấu rải bột qua các mâm nướng bánh mà không di chuyển nguồn nhiệt, giảm tổn thất nhiệt và tăng hiệu quả năng lượng.

  • Cơ cấu bốn khâu và cơ cấu chuyển đổi điểm: Áp dụng thiết kế cơ cấu cần lắc rải bột với liên kết bốn khâu song phẳng, cho phép thay đổi bán kính rải bột linh hoạt trong quá trình vận hành, đảm bảo tạo hình bánh rế đồng đều.

  • Hệ thống điều khiển servo và Arduino: Sử dụng hệ thống servo để điều khiển chuyển động chính xác, kết hợp lập trình Arduino MEGA 2560 để điều khiển tự động các chu trình rải bột, cấp nhiệt và vận hành thiết bị, đảm bảo ổn định và dễ dàng bảo trì.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển động đẳng hướng, cơ cấu nội suy, momen xoắn động cơ, lực căng đai, ứng suất cắt trên răng đai, và điều khiển tự động bằng vi điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp:

  • Quan sát khoa học: Phân tích quy trình sản xuất thủ công tại cơ sở Phong Phú, ghi nhận các bước tạo hình bánh rế, đánh giá chất lượng và năng suất.

  • Phân tích tổng kết kinh nghiệm: Đánh giá ưu nhược điểm của các thiết bị bán tự động hiện có, bao gồm thiết bị do PGS. Trần Doãn Sơn và KS. Nguyễn Lâm Thành thiết kế, dựa trên số liệu thực tế về năng suất, chất lượng sản phẩm và độ ổn định vận hành.

  • Thí nghiệm khoa học: Thực hiện các thí nghiệm ảnh hưởng bán kính rải bột đến đường kính bánh, đo đạc và xử lý số liệu bằng phần mềm Minitab, xây dựng phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa các thông số thiết kế.

  • Thiết kế và chế tạo thiết bị: Thiết kế cơ cấu rải bột, cơ cấu dịch chuyển nội suy, hệ thống cấp nhiệt bằng gas, lập trình điều khiển Arduino, gia công và lắp ráp thiết bị tại xưởng thực hành.

  • Đánh giá hoạt động thiết bị: Vận hành thử nghiệm tại xưởng và cơ sở sản xuất, so sánh năng suất, chất lượng bánh và độ ổn định với các thiết bị hiện có.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 10-15 thí nghiệm rải bột với các khoảng cách ổ bi cầu khác nhau, chọn mẫu ngẫu nhiên trong quá trình sản xuất thực tế. Phương pháp phân tích số liệu chủ yếu là hồi quy tuyến tính và phân tích sai số, nhằm tối ưu hóa thiết kế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phương pháp tạo hình bánh rế cải tiến: Thiết kế cơ cấu rải bột với chuyển động đẳng hướng kết hợp hai phương X và Y giúp tạo vòng rế đều, kín, đáp ứng tiêu chuẩn về hình dạng và kích thước bánh. Thí nghiệm cho thấy bán kính rải bột ảnh hưởng trực tiếp đến đường kính bánh, với sai số phương trình hồi quy dưới 5%, đảm bảo độ chính xác cao.

  2. Năng suất thiết bị đạt 80 kg bột/ngày: Thiết bị bán tự động mới vận hành 2 ca mỗi ca 5 tiếng, do 1 công nhân điều khiển, đạt năng suất ổn định 80 kg bột/ngày, tương đương hoặc vượt thiết bị hiện có (80 kg/ngày) nhưng với độ ổn định và hiệu quả năng lượng cao hơn.

  3. Giảm tổn hao năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị: Thiết kế loại bỏ chuyển động của nguồn nhiệt và mâm bánh, giảm tổn thất nhiệt, đồng thời sử dụng hệ thống điều khiển Arduino và servo giúp vận hành ổn định, giảm bảo trì. So sánh với thiết bị PGS. Trần Doãn Sơn, thiết bị mới giảm tổn hao công suất do loại bỏ trục chính nặng 60 kg và cơ cấu phanh dừng đột ngột.

  4. An toàn và thân thiện với môi trường: Sử dụng nguồn nhiệt gas với hệ thống cấp nhiệt được thiết kế an toàn, giảm nguy cơ rò rỉ và tắt lửa như thiết bị KS. Nguyễn Lâm Thành. Thiết bị có hệ thống thu hồi bột thừa, giảm lãng phí và ô nhiễm môi trường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp cải thiện chất lượng bánh rế là việc áp dụng chuyển động đẳng hướng có kiểm soát vị trí, giúp rải bột đều và tạo vòng rế kín, khắc phục nhược điểm của các thiết bị trước có đường rế dạng elip hoặc không có vành ngoài. Việc loại bỏ chuyển động của mâm bánh và nguồn nhiệt giúp giảm tổn thất nhiệt, tăng hiệu suất năng lượng, đồng thời giảm mài mòn cơ khí, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

So sánh với các nghiên cứu trong nước, thiết bị mới khắc phục được các hạn chế về tổn hao công suất, bảo trì thường xuyên và nguy cơ cháy nổ do gas. Kết quả thí nghiệm và vận hành thực tế được trình bày qua biểu đồ đường kính bánh theo bán kính rải bột, bảng số liệu sai số phương trình hồi quy và hình ảnh sản phẩm bánh rế đạt tiêu chuẩn.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp cơ sở Phong Phú nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn góp phần hiện đại hóa sản xuất nông nghiệp truyền thống, giảm sức lao động và tạo tiền đề cho phát triển thiết bị tự động hóa tương tự trong ngành thực phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thiết bị bán tự động tại các cơ sở sản xuất bánh tráng rế: Khuyến khích các cơ sở áp dụng thiết bị cải tiến để nâng cao năng suất lên 80 kg bột/ngày, ổn định chất lượng bánh, giảm sức lao động. Thời gian triển khai dự kiến trong 6 tháng, chủ thể thực hiện là các cơ sở sản xuất và đơn vị chuyển giao công nghệ.

  2. Đào tạo công nhân vận hành và bảo trì thiết bị: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành, lập trình Arduino và bảo trì cơ khí cho công nhân nhằm đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định, giảm thời gian dừng máy. Thời gian đào tạo 1-2 tháng, do nhà trường và chuyên gia kỹ thuật phối hợp thực hiện.

  3. Nâng cấp hệ thống điều khiển tự động: Phát triển phần mềm điều khiển thông minh hơn, tích hợp cảm biến nhiệt độ và áp suất để tự động điều chỉnh nhiệt độ gas, tăng an toàn và hiệu quả năng lượng. Thời gian nghiên cứu và phát triển 12 tháng, do nhóm nghiên cứu và đối tác công nghệ thực hiện.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các sản phẩm tương tự: Áp dụng nguyên lý thiết kế và công nghệ điều khiển cho các sản phẩm bánh truyền thống khác cần tự động hóa, góp phần đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị ngành thực phẩm truyền thống. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ sở sản xuất bánh tráng rế và chả giò rế: Giúp nâng cao năng suất, ổn định chất lượng sản phẩm, giảm chi phí lao động và bảo trì thiết bị.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí và tự động hóa: Cung cấp kiến thức về thiết kế cơ cấu chuyển động đẳng hướng, điều khiển servo và ứng dụng Arduino trong sản xuất thực phẩm.

  3. Doanh nghiệp chuyển giao công nghệ và phát triển thiết bị sản xuất thực phẩm: Tham khảo mô hình thiết kế, quy trình chế tạo và vận hành thiết bị bán tự động, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển ngành nông nghiệp công nghiệp hóa: Đánh giá hiệu quả công nghệ tự động hóa trong sản xuất truyền thống, xây dựng chính sách hỗ trợ và phát triển ngành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị bán tự động mới có thể thay thế hoàn toàn sản xuất thủ công không?
    Thiết bị giúp tăng năng suất và ổn định chất lượng nhưng vẫn cần công nhân vận hành và giám sát, do đó không hoàn toàn thay thế thủ công mà hỗ trợ nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Năng suất thiết bị đạt bao nhiêu so với thiết bị hiện có?
    Thiết bị đạt năng suất 80 kg bột/ngày, tương đương thiết bị hiện có nhưng với độ ổn định và hiệu quả năng lượng cao hơn, giảm thời gian bảo trì.

  3. Thiết bị sử dụng nguồn nhiệt nào để làm chín bánh?
    Thiết bị sử dụng nhiệt từ bếp gas với hệ thống cấp nhiệt an toàn, giảm nguy cơ rò rỉ và tắt lửa so với thiết bị dùng điện trở.

  4. Phương pháp tạo hình bánh rế cải tiến có ưu điểm gì?
    Phương pháp sử dụng chuyển động đẳng hướng kết hợp hai phương X và Y giúp tạo vòng rế đều, kín, đảm bảo chất lượng bánh và giảm tổn thất bột.

  5. Làm thế nào để bảo trì và vận hành thiết bị hiệu quả?
    Cần đào tạo công nhân vận hành, bảo trì định kỳ các bộ phận cơ khí và hệ thống điều khiển, đồng thời sử dụng phần mềm điều khiển Arduino để giám sát và điều chỉnh tự động.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu và đề xuất phương pháp tạo hình bánh rế cải tiến, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm so với thiết bị hiện có.
  • Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị bán tự động với năng suất 80 kg bột/ngày, vận hành ổn định, giảm tổn hao năng lượng và bảo trì.
  • Thiết bị sử dụng hệ thống điều khiển servo và Arduino, đảm bảo chính xác chuyển động và an toàn khi sử dụng gas làm nhiệt.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần hiện đại hóa sản xuất bánh tráng rế truyền thống, giảm sức lao động và mở rộng thị trường cho cơ sở sản xuất.
  • Đề xuất các giải pháp đào tạo, nâng cấp và mở rộng ứng dụng thiết bị trong tương lai, tạo tiền đề phát triển công nghiệp hóa ngành thực phẩm truyền thống.

Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng thiết bị tại các cơ sở sản xuất, đồng thời nghiên cứu nâng cấp hệ thống điều khiển tự động thông minh hơn. Mời các cơ sở sản xuất và nhà nghiên cứu liên hệ để nhận chuyển giao công nghệ và hỗ trợ kỹ thuật.