Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu hóa và hội nhập kinh tế quốc tế, ngành chế biến lúa gạo tại Việt Nam đang đối mặt với áp lực cạnh tranh ngày càng lớn. Việt Nam hiện là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới, với sản lượng xuất khẩu tăng từ khoảng 2 triệu tấn năm 1992 lên đến 6,88 triệu tấn năm 2010, tương ứng kim ngạch đạt 3,23 tỷ đô la Mỹ. Tuy nhiên, tỷ lệ thất thoát sau thu hoạch vẫn dao động trong khoảng 12-15%, gây thiệt hại ước tính từ 912 đến 1260 tỷ đồng mỗi năm tại Đồng bằng sông Cửu Long. Ngoài ra, giá gạo xuất khẩu của Việt Nam thường thấp hơn khoảng 160 USD/tấn so với Thái Lan do hạn chế về công nghệ sau thu hoạch và chế biến.

Máy tách màu gạo đóng vai trò then chốt trong dây chuyền chế biến, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tỷ lệ tạp chất và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế. Tuy nhiên, phần lớn máy móc hiện nay đều nhập khẩu với chi phí đầu tư cao và khó khăn trong bảo trì, thay thế. Do đó, nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô-đun cấp liệu rung ứng dụng cho máy tách màu gạo nhằm tạo ra sản phẩm nội địa có chất lượng tương đương, chi phí hợp lý và khả năng tích hợp cao là rất cần thiết.

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán và chế tạo mô-đun cấp liệu rung, một trong những cụm chức năng chính của máy tách màu gạo, với mục tiêu nâng cao hiệu suất tách màu, giảm chi phí đầu tư và thúc đẩy phát triển công nghệ trong nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Việt Nam, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long, trong giai đoạn từ năm 2015 đến 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các doanh nghiệp chế biến gạo nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của thị trường xuất khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình thiết kế sản phẩm theo mô-đun nhằm tối ưu hóa quá trình phát triển và chế tạo máy tách màu gạo. Hai lý thuyết chính được sử dụng gồm:

  1. Thiết kế sản phẩm theo mô-đun (Modular Product Design - MPD): Phương pháp này phân chia sản phẩm thành các mô-đun chức năng độc lập, cho phép thiết kế, chế tạo và kiểm soát chất lượng từng mô-đun riêng biệt. Ưu điểm là giảm thời gian phát triển, tăng tính linh hoạt trong thay đổi và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Ma trận cấu trúc thiết kế (Design Structure Matrix - DSM): Đây là công cụ phân tích mối quan hệ giữa các bộ phận trong hệ thống, giúp xác định các mô-đun tối ưu dựa trên mức độ tương tác giữa các chi tiết. DSM hỗ trợ việc phân nhóm các chi tiết thành các mô-đun có tính độc lập cao, thuận lợi cho việc lắp ráp và bảo trì.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: mô-đun cấp liệu rung, hệ thống cảm biến CCD, thuật toán nhận dạng nhóm (Cluster Identification Algorithm - CIA), và các chỉ tiêu kỹ thuật như tỷ lệ thóc lẫn (Krm) và tỷ lệ thành phẩm trong phế phẩm (Kmp).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật, catalogue máy tách màu gạo nhập khẩu, và các nghiên cứu trước đây về thiết kế mô-đun và công nghệ tách màu gạo. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích tổng quan công nghệ và thiết bị: Nghiên cứu các dòng máy tách màu gạo trên thế giới và tại Việt Nam, đánh giá ưu nhược điểm, xác định yêu cầu kỹ thuật.

  • Phân tích mô-đun và thiết kế chi tiết: Sử dụng ma trận DSM và thuật toán CIA để phân tích cấu trúc máy, phân chia các cụm chức năng thành mô-đun. Tập trung thiết kế mô-đun cấp liệu rung với các tính toán chi tiết về lưu lượng, vận tốc hạt gạo, biên độ rung, lực kích rung.

  • Chế tạo và thử nghiệm: Lập quy trình công nghệ gia công, lựa chọn vật liệu, chế tạo mô-đun cấp liệu rung và tích hợp vào máy tách màu gạo mẫu thử nghiệm.

  • Phân tích kết quả: Đánh giá hiệu suất mô-đun cấp liệu rung qua các chỉ tiêu kỹ thuật, so sánh với các máy nhập khẩu.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ đầu năm 2015 đến giữa năm 2016, với cỡ mẫu thử nghiệm là mô-đun cấp liệu rung được chế tạo và tích hợp vào máy tách màu gạo mẫu tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân chia mô-đun hiệu quả: Qua phân tích ma trận DSM và thuật toán CIA, hệ thống máy tách màu gạo được phân chia thành các mô-đun chức năng độc lập, trong đó mô-đun cấp liệu rung được xác định là cụm quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất tách màu. Việc phân chia này giúp giảm 30% thời gian thiết kế so với phương pháp truyền thống.

  2. Thiết kế mô-đun cấp liệu rung đạt yêu cầu kỹ thuật: Các thông số tính toán cho mô-đun cấp liệu rung bao gồm lưu lượng trung bình đạt khoảng 5 tấn/giờ, vận tốc hạt gạo trung bình 0,8 m/s, biên độ rung theo hai phương X-X đạt 2 mm, lực kích rung nam châm điện được điều chỉnh linh hoạt trong khoảng 10-15 N. Các chỉ tiêu này đảm bảo dòng hạt gạo được cấp đều, ổn định, phù hợp với tốc độ xử lý của hệ thống cảm biến CCD.

  3. Chế tạo và thử nghiệm thành công: Mô-đun cấp liệu rung được chế tạo với vật liệu polyurethane và thép hợp kim, đảm bảo độ bền và độ chính xác cao. Thử nghiệm tích hợp vào máy tách màu gạo mẫu cho thấy tỷ lệ thóc lẫn giảm xuống còn 3%, tỷ lệ thành phẩm trong phế phẩm dưới 12%, tương đương hoặc tốt hơn các máy nhập khẩu hiện có trên thị trường.

  4. Tiết kiệm chi phí và nâng cao tính cạnh tranh: So với máy nhập khẩu, mô-đun cấp liệu rung nội địa giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu khoảng 25%, đồng thời giảm chi phí bảo trì và thay thế do thiết kế mô-đun hóa thuận tiện cho việc sửa chữa.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng thiết kế theo mô-đun trong chế tạo máy tách màu gạo là khả thi và hiệu quả. Việc phân chia hệ thống thành các mô-đun độc lập giúp giảm thiểu sự phức tạp trong thiết kế và sản xuất, đồng thời tăng tính linh hoạt trong việc nâng cấp và bảo trì thiết bị. Các thông số kỹ thuật của mô-đun cấp liệu rung được tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết chuyển động hạt rời và thực nghiệm, đảm bảo phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.

So sánh với các nghiên cứu và sản phẩm máy tách màu gạo nhập khẩu từ Nhật Bản, Trung Quốc và Ấn Độ, mô-đun cấp liệu rung do đề tài thiết kế có hiệu suất tương đương, trong khi chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn đáng kể. Điều này phù hợp với nhu cầu nội địa hóa thiết bị, giúp các doanh nghiệp chế biến gạo quy mô vừa và nhỏ có thể tiếp cận công nghệ hiện đại với chi phí hợp lý.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ thóc lẫn và tỷ lệ thành phẩm trong phế phẩm giữa máy nhập khẩu và máy tích hợp mô-đun cấp liệu rung nội địa, cũng như bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và chi phí đầu tư.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất hàng loạt mô-đun cấp liệu rung: Khuyến nghị các doanh nghiệp cơ khí trong nước đầu tư sản xuất mô-đun cấp liệu rung theo thiết kế đã được chứng minh, nhằm giảm chi phí nhập khẩu và tăng khả năng cạnh tranh. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển các mô-đun chức năng khác của máy tách màu gạo: Tiếp tục nghiên cứu và thiết kế các mô-đun như hệ thống cảm biến CCD, bộ phận thổi khí, và hệ thống điều khiển để hoàn thiện máy tách màu gạo nội địa với chất lượng tương đương máy nhập khẩu. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 18-24 tháng.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành nhằm nâng cao năng lực sản xuất, lắp ráp và bảo trì máy tách màu gạo theo mô-đun. Chủ thể thực hiện là các trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp sản xuất thiết bị.

  4. Hỗ trợ chính sách và đầu tư nghiên cứu: Đề xuất các cơ quan quản lý nhà nước hỗ trợ chính sách ưu đãi về thuế, vốn vay và nghiên cứu phát triển công nghệ nhằm thúc đẩy nội địa hóa thiết bị chế biến lúa gạo. Thời gian thực hiện liên tục trong giai đoạn 2024-2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến lúa gạo: Luận văn cung cấp giải pháp thiết kế và chế tạo máy tách màu gạo nội địa, giúp doanh nghiệp giảm chi phí đầu tư, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường xuất khẩu.

  2. Các nhà sản xuất thiết bị cơ khí nông nghiệp: Tài liệu chi tiết về thiết kế mô-đun và quy trình chế tạo mô