Tổng quan nghiên cứu

Cà rốt là một trong những loại rau củ được trồng phổ biến và sử dụng rộng rãi tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Theo thống kê, diện tích trồng cà rốt tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng như Hải Dương đạt khoảng 1.500 ha/năm với năng suất trung bình từ 35 đến 40 tấn/ha, mang lại thu nhập từ 100 đến 150 triệu đồng/ha/vụ. Nhu cầu chế biến cà rốt trong nước ngày càng tăng, đặc biệt trong các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, nhà hàng, quán ăn, nơi công đoạn sơ chế chủ yếu thực hiện thủ công, gây tốn thời gian và công sức. Hiện nay, các loại máy bóc vỏ cà rốt chủ yếu có mặt trong các nhà máy lớn với giá thành cao, chưa phù hợp với quy mô nhỏ.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy bóc vỏ cà rốt nhằm tự động hóa công đoạn sơ chế, nâng cao năng suất và giảm chi phí lao động cho các cơ sở sản xuất nhỏ và hộ gia đình. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát các giống cà rốt phổ biến tại Đà Lạt và cà rốt nhập khẩu từ Trung Quốc, đo đạc kích thước, lực cắt vỏ cà rốt, thiết kế các bộ phận máy dựa trên các thông số thực nghiệm và mô hình hóa trên phần mềm Autodesk Inventor. Mô hình máy có công suất thiết kế đạt 1.200 củ/giờ, phù hợp với nhu cầu sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ chế biến nông sản tại Việt Nam, góp phần cơ khí hóa ngành nông nghiệp, nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm cà rốt chế biến. Các chỉ số như lực cắt vỏ, kích thước củ cà rốt được xác định cụ thể làm cơ sở khoa học cho thiết kế máy, đồng thời mở ra hướng phát triển các thiết bị chế biến phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về cơ học vật liệu và quá trình cắt thái vật thể để phân tích lực cắt vỏ cà rốt và thiết kế bộ phận dao cắt. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Lực cắt vỏ cà rốt: Lực cần thiết để loại bỏ lớp vỏ ngoài của củ cà rốt, được xác định qua thí nghiệm thực tế.
  • Quá trình cắt thái bằng lưỡi dao: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng như góc mài sắc, vận tốc cắt, độ dày lát cắt, áp suất cắt thái riêng.
  • Cấu trúc vật lý củ cà rốt: Kích thước chiều dài, đường kính lớn nhất và nhỏ nhất của củ cà rốt, ảnh hưởng đến thiết kế máy.
  • Mô hình hóa cơ khí: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô phỏng cấu trúc máy, giảm sai sót trong gia công và tối ưu hóa thiết kế.

Ngoài ra, các mô hình truyền động, cơ cấu con lăn và băng tải cũng được nghiên cứu để đảm bảo vận hành hiệu quả của máy.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp phân tích lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu từ các bài báo khoa học, sáng chế, sách giáo trình trong và ngoài nước liên quan đến máy bóc vỏ cà rốt và các thiết bị chế biến rau củ.
  • Khảo sát thực tế: Đo kích thước cơ bản của 200 củ cà rốt (100 củ trồng tại Đà Lạt, 100 củ nhập khẩu Trung Quốc) để xác định các thông số trung bình như chiều dài (trung bình 191,95 mm), đường kính lớn nhất (38,16 mm) và đường kính nhỏ nhất (19,93 mm).
  • Thí nghiệm đo lực cắt: Thiết kế mô hình thí nghiệm đo lực cắt vỏ cà rốt qua dao cắt, xác định mối quan hệ giữa góc gá dao, vận tốc cắt và lực cắt.
  • Phân tích số liệu: Sử dụng phương pháp thống kê để xử lý dữ liệu khảo sát và thí nghiệm, xây dựng phương trình hồi quy mô tả mối liên hệ các thông số.
  • Thiết kế và mô hình hóa: Dựa trên kết quả thí nghiệm và lý thuyết, thiết kế các bộ phận máy, mô hình hóa trên phần mềm Autodesk Inventor để kiểm tra và tối ưu.
  • Chế tạo và thử nghiệm: Gia công các bộ phận, lắp ráp máy và thực hiện thử nghiệm vận hành để đánh giá hiệu quả, năng suất và chất lượng bóc vỏ.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2016, tập trung tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và các cơ sở sản xuất nhỏ tại TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kích thước củ cà rốt: Qua khảo sát 200 củ cà rốt, chiều dài trung bình là 191,95 mm, đường kính lớn nhất trung bình 38,16 mm, đường kính nhỏ nhất trung bình 19,93 mm. Phân bố kích thước củ cà rốt có sự khác biệt giữa củ trồng tại Đà Lạt và nhập khẩu Trung Quốc, ảnh hưởng đến thiết kế khoảng cách các bộ phận máy.

  2. Lực cắt vỏ cà rốt: Thí nghiệm đo lực cắt cho thấy lực cắt phụ thuộc vào góc gá dao và vận tốc cắt. Khi góc gá dao là 19° và vận tốc cắt 160 mm/s, lực cắt đạt khoảng 15 N. Lực cắt giảm khi tăng vận tốc cắt và góc mài sắc dao được tối ưu ở khoảng 19°.

  3. Hiệu quả máy bóc vỏ: Mô hình máy thiết kế có công suất 1.200 củ/giờ, tỉ lệ bóc sạch vỏ đạt 80%, tỉ lệ bỏ sót dưới 20%. So với phương pháp bóc vỏ thủ công, máy giúp giảm thời gian sơ chế từ 15 phút xuống còn khoảng 5 phút cho cùng khối lượng cà rốt.

  4. Thiết kế bộ phận dao và con lăn: Số lượng dao cắt được chọn là 8 cụm, bố trí theo nguyên lý chuốt với góc quay khác nhau để đảm bảo bóc sạch vỏ. Con lăn được thiết kế có lực ép khoảng 20 N để giữ chắc củ cà rốt khi đi qua dao, đảm bảo không làm hư hỏng sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Kết quả khảo sát kích thước củ cà rốt phù hợp với các giống phổ biến tại Việt Nam, tạo cơ sở chính xác cho thiết kế máy. Lực cắt vỏ cà rốt được đo thực nghiệm giúp xác định các thông số kỹ thuật quan trọng như góc mài sắc dao, vận tốc cắt, từ đó tối ưu hóa hiệu suất máy. So sánh với các máy bóc vỏ cà rốt nhập khẩu có công suất lớn hơn (từ 3.000 đến 10.000 củ/giờ), mô hình máy thiết kế phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa, có chi phí đầu tư thấp hơn.

Việc mô hình hóa trên phần mềm Autodesk Inventor giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công, tiết kiệm thời gian thiết kế và nâng cao độ chính xác. Thử nghiệm thực tế cho thấy máy hoạt động ổn định, năng suất đạt yêu cầu, chất lượng bóc vỏ đảm bảo, phù hợp với nhu cầu của các cơ sở sản xuất nhỏ và hộ gia đình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực cắt theo góc gá dao và vận tốc cắt, bảng so sánh năng suất và tỉ lệ bóc sạch vỏ giữa máy và phương pháp thủ công, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của mô hình máy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hoàn thiện thiết kế và sản xuất hàng loạt: Đẩy mạnh hoàn thiện thiết kế máy dựa trên kết quả thử nghiệm, tiến hành sản xuất hàng loạt để cung cấp cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ trong vòng 1-2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp cơ khí chuyên ngành.

  2. Nâng cao tự động hóa cấp liệu và thu liệu: Phát triển thêm hệ thống cấp liệu và thu liệu tự động để giảm sức lao động thủ công, nâng cao năng suất máy lên khoảng 2.000 củ/giờ trong 3 năm tiếp theo. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành, bảo trì máy cho các cơ sở sản xuất nhỏ, hộ gia đình nhằm đảm bảo sử dụng hiệu quả và kéo dài tuổi thọ máy. Thời gian triển khai trong 1 năm, do các trường đại học và trung tâm kỹ thuật thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại rau củ khác: Nghiên cứu điều chỉnh thiết kế để áp dụng cho các loại rau củ có hình dạng tương tự như củ cải trắng, dưa leo, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và tăng tính ứng dụng của máy trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ trong ngành chế biến rau củ: Giúp nâng cao hiệu quả sơ chế, giảm chi phí lao động và tăng năng suất sản xuất.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ chế biến nông sản: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm, phương pháp thiết kế và mô hình hóa máy bóc vỏ rau củ.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị máy móc nông nghiệp: Là cơ sở để phát triển sản phẩm máy bóc vỏ cà rốt phù hợp với thị trường trong nước, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu.

  4. Các tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì máy móc chế biến nông sản.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy bóc vỏ cà rốt có phù hợp với tất cả các loại cà rốt không?
    Máy được thiết kế dựa trên khảo sát kích thước và đặc tính của các giống cà rốt phổ biến tại Việt Nam và nhập khẩu, phù hợp với đường kính từ 25 đến 50 mm và chiều dài từ 140 đến 260 mm. Các loại cà rốt ngoài phạm vi này có thể cần điều chỉnh thiết kế.

  2. Năng suất máy so với bóc vỏ thủ công như thế nào?
    Máy có công suất khoảng 1.200 củ/giờ, giúp giảm thời gian sơ chế xuống còn khoảng 1/3 so với phương pháp thủ công, đồng thời giảm sức lao động và tăng độ đồng đều của sản phẩm.

  3. Lực cắt vỏ cà rốt được xác định như thế nào?
    Lực cắt được đo bằng mô hình thí nghiệm với dao cắt và cảm biến lực, kết quả cho thấy lực cắt trung bình khoảng 15 N khi góc gá dao là 19° và vận tốc cắt 160 mm/s, giúp thiết kế bộ phận dao phù hợp.

  4. Máy có thể sử dụng cho các loại rau củ khác không?
    Thiết kế hiện tại tập trung cho cà rốt, tuy nhiên nguyên lý và cấu trúc máy có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại rau củ có hình dạng thon dài như củ cải trắng, dưa leo với một số thay đổi về kích thước và lực ép.

  5. Chi phí đầu tư máy có phù hợp với các cơ sở nhỏ không?
    Mô hình máy được thiết kế với chi phí thấp hơn nhiều so với các máy nhập khẩu công suất lớn, phù hợp với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ hoặc hộ gia đình, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất với vốn đầu tư hợp lý.

Kết luận

  • Đã khảo sát và xác định các thông số kích thước, lực cắt vỏ cà rốt làm cơ sở khoa học cho thiết kế máy.
  • Thiết kế và mô hình hóa thành công mô hình máy bóc vỏ cà rốt công suất 1.200 củ/giờ, phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa.
  • Máy đạt hiệu quả bóc sạch vỏ 80%, tỉ lệ bỏ sót dưới 20%, giảm đáng kể thời gian và công sức so với phương pháp thủ công.
  • Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh tính ổn định và hiệu quả của máy trong điều kiện sản xuất thực tế.
  • Đề xuất các giải pháp hoàn thiện, nâng cao tự động hóa và mở rộng ứng dụng trong thời gian tới nhằm phát triển công nghệ chế biến nông sản trong nước.

Khuyến khích các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa nghiên cứu, ứng dụng mô hình máy để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp có thể tiếp tục phát triển, hoàn thiện thiết bị nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của thị trường.