Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành cơ khí chế tạo máy ngày càng phát triển, việc tối ưu hóa các thiết bị sản xuất nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm là yêu cầu cấp thiết. Máy gọt củ năng là một thiết bị quan trọng trong chế biến nông sản, giúp tăng năng suất và giảm sức lao động thủ công. Theo ước tính, việc cải tiến máy gọt củ năng có thể nâng cao độ sạch của sản phẩm lên đến 90% và giảm khối lượng vỏ còn lại xuống dưới 10%, góp phần nâng cao giá trị sản phẩm và giảm lãng phí nguyên liệu.

Luận văn tập trung vào việc tối ưu hóa máy gọt củ năng bằng phương pháp thực nghiệm Taguchi, nhằm đồng thời cải thiện hai chỉ tiêu chất lượng đầu ra là độ sạch và khối lượng còn lại của củ năng thành phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu bao gồm cải tiến thiết kế máy, xây dựng quy trình lượng hóa các chỉ tiêu chất lượng và xác định các thông số đầu vào tối ưu cho quá trình gọt vỏ.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là cải tiến, chế tạo và vận hành máy gọt củ năng; xây dựng quy trình lượng hóa độ sạch và khối lượng còn lại của củ năng thành phẩm; xác định các thông số đầu vào tối ưu gồm thời gian cắt, tốc độ cắt, góc cắt và chiều cao cắt thông qua phương pháp thực nghiệm Taguchi kết hợp lý thuyết hệ số xám. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và tăng chất lượng sản phẩm trong ngành chế biến nông sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và lý thuyết hệ số xám (Grey Relational Analysis). Phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết kế các thí nghiệm với số lượng tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo đánh giá được ảnh hưởng của các nhân tố đầu vào đến chất lượng sản phẩm. Phương pháp này sử dụng ma trận trực giao và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio) để xác định mức độ ổn định và hiệu quả của các thông số.

Lý thuyết hệ số xám được áp dụng để tối ưu hóa đa mục tiêu, giúp tổng hợp các chỉ tiêu chất lượng đầu ra thành một hệ số tương đương, từ đó xác định tổ hợp thông số tối ưu đồng thời cho nhiều mục tiêu. Các khái niệm chính bao gồm: mô đun trong thiết kế máy, quy hoạch thực nghiệm, chuẩn hóa dữ liệu theo nguyên tắc "cao hơn là tốt hơn" hoặc "thấp hơn là tốt hơn", tính toán sai lệch chuẩn, hệ số xám và cấp quan hệ xám.

Ngoài ra, nghiên cứu còn ứng dụng phương pháp xử lý ảnh để lượng hóa độ sạch của củ năng thành phẩm, sử dụng phần mềm ImageJ để phân tích diện tích phần vỏ còn lại trên bề mặt củ năng. Khối lượng còn lại được xác định bằng cân điện tử với độ chính xác cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên máy gọt củ năng cải tiến, với cỡ mẫu khoảng 300 gram củ năng cho mỗi thí nghiệm. Các nhân tố đầu vào được lựa chọn gồm: thời gian cắt, tốc độ cắt, góc cắt và chiều cao cắt, mỗi nhân tố được khảo sát ở 3 cấp độ khác nhau.

Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của dữ liệu. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm các bước: cải tiến thiết kế máy, chế tạo và lắp ráp, tiến hành thí nghiệm theo ma trận Taguchi, thu thập dữ liệu, xử lý ảnh và cân trọng lượng, phân tích dữ liệu bằng phần mềm Minitab và ANSYS, cuối cùng là đánh giá và đề xuất giải pháp.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA để xác định mức độ ảnh hưởng của từng nhân tố đến các chỉ tiêu chất lượng. Kết quả được trình bày qua biểu đồ ảnh hưởng chính và bảng phân tích phương sai, giúp đánh giá và xếp hạng các yếu tố theo mức độ tác động.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của các nhân tố đầu vào đến độ sạch củ năng: Kết quả phân tích cho thấy góc cắt và thời gian cắt là hai nhân tố có ảnh hưởng lớn nhất đến độ sạch, với mức ảnh hưởng lần lượt khoảng 45% và 30%. Tốc độ cắt và chiều cao cắt có ảnh hưởng thấp hơn, lần lượt khoảng 15% và 10%.

  2. Ảnh hưởng đến khối lượng còn lại của củ năng: Thời gian cắt và chiều cao cắt là hai yếu tố chủ đạo ảnh hưởng đến khối lượng còn lại, chiếm tỷ lệ ảnh hưởng lần lượt 40% và 35%. Góc cắt và tốc độ cắt có mức ảnh hưởng thấp hơn, khoảng 15% và 10%.

  3. Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng hệ số xám: Sử dụng lý thuyết hệ số xám, tổ hợp thông số tối ưu được xác định là: thời gian cắt 15 giây, tốc độ cắt 200 vòng/phút, góc cắt 45 độ và chiều cao cắt 5 mm. Tổ hợp này đạt được độ sạch củ năng trên 90% và khối lượng còn lại dưới 10%.

  4. Hiệu quả cải tiến mô đun gọt vỏ: Việc cải tiến cụm dao cắt với bộ phận dẫn hướng và dưỡng căn góc giúp đảm bảo độ đồng nhất về thông số hình học giữa các dao, giảm sai lệch trong quá trình vận hành, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và độ bền của máy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự ảnh hưởng mạnh mẽ của góc cắt và thời gian cắt đến độ sạch là do chúng trực tiếp điều khiển lực cắt và khả năng loại bỏ vỏ củ năng. Thời gian cắt dài hơn giúp loại bỏ vỏ hiệu quả hơn nhưng có thể làm tăng khối lượng mất mát sản phẩm. Chiều cao cắt ảnh hưởng đến khối lượng còn lại do nó quyết định độ sâu của dao cắt vào củ năng.

So sánh với một số nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực chế tạo máy gọt nông sản, kết quả này tương đồng với xu hướng tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm cân bằng giữa chất lượng và hiệu suất. Việc ứng dụng phương pháp Taguchi kết hợp lý thuyết hệ số xám đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm số lượng thí nghiệm cần thiết mà vẫn đạt được kết quả tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ảnh hưởng chính thể hiện tỷ lệ phần trăm ảnh hưởng của từng nhân tố, cùng bảng ANOVA chi tiết cho từng chỉ tiêu chất lượng, giúp minh bạch và rõ ràng trong việc đánh giá kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tổ hợp thông số tối ưu: Khuyến nghị sử dụng tổ hợp thời gian cắt 15 giây, tốc độ cắt 200 vòng/phút, góc cắt 45 độ và chiều cao cắt 5 mm trong vận hành máy gọt củ năng để đạt hiệu suất cao nhất. Thời gian thực hiện: ngay lập tức trong quá trình sản xuất.

  2. Cải tiến thiết kế mô đun gọt vỏ: Triển khai thiết kế cụm dao cắt có bộ phận dẫn hướng và dưỡng căn góc nhằm đảm bảo độ đồng nhất và ổn định trong quá trình vận hành. Chủ thể thực hiện: bộ phận kỹ thuật và bảo trì nhà máy, thời gian 3-6 tháng.

  3. Đào tạo vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo cho công nhân vận hành về cách thiết lập và điều chỉnh các thông số máy theo tổ hợp tối ưu, đồng thời hướng dẫn bảo trì cụm dao cắt để duy trì hiệu suất. Thời gian: 1-2 tháng.

  4. Nâng cấp mô đun truyền động: Xem xét thay thế động cơ công suất lớn hiện tại bằng động cơ phù hợp hơn để giảm tiêu thụ điện năng và trọng lượng máy, góp phần tiết kiệm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật, thời gian 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế máy cơ khí: Nghiên cứu cung cấp phương pháp thiết kế mô đun và cải tiến cụm dao cắt, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và chế tạo máy gọt nông sản.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành chế biến nông sản: Tham khảo để áp dụng các thông số tối ưu trong vận hành máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phương pháp Taguchi và lý thuyết hệ số xám trong tối ưu hóa thiết bị cơ khí.

  4. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ chế biến nông sản: Cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm để phát triển các thiết bị chế biến hiệu quả, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp Taguchi là gì và tại sao được chọn trong nghiên cứu này?
    Phương pháp Taguchi là kỹ thuật thiết kế thực nghiệm sử dụng ma trận trực giao để giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, giúp xác định ảnh hưởng của các nhân tố đến chất lượng sản phẩm. Nó được chọn vì hiệu quả trong tối ưu hóa nhanh chóng và tiết kiệm chi phí thí nghiệm.

  2. Lý thuyết hệ số xám giúp gì trong tối ưu hóa đa mục tiêu?
    Lý thuyết hệ số xám tổng hợp nhiều chỉ tiêu chất lượng thành một hệ số duy nhất, giúp xác định tổ hợp thông số tối ưu đồng thời cho nhiều mục tiêu, khắc phục hạn chế của phương pháp Taguchi chỉ tối ưu đơn mục tiêu.

  3. Làm thế nào để đo độ sạch của củ năng thành phẩm?
    Độ sạch được đo bằng phương pháp xử lý ảnh sử dụng phần mềm ImageJ, phân tích diện tích phần vỏ còn lại trên bề mặt củ năng so với tổng diện tích, cho kết quả chính xác và khách quan.

  4. Tại sao cần cải tiến cụm dao cắt trong máy gọt củ năng?
    Cụm dao cắt cải tiến với bộ phận dẫn hướng và dưỡng căn góc giúp đảm bảo độ đồng nhất về thông số hình học giữa các dao, giảm sai lệch trong quá trình vận hành, nâng cao chất lượng sản phẩm và độ bền máy.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại máy gọt khác không?
    Kết quả nghiên cứu có thể được tham khảo và điều chỉnh phù hợp để áp dụng cho các loại máy gọt nông sản khác, đặc biệt trong việc sử dụng phương pháp Taguchi và lý thuyết hệ số xám để tối ưu hóa đa mục tiêu.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc cải tiến và tối ưu hóa máy gọt củ năng bằng phương pháp thực nghiệm Taguchi kết hợp lý thuyết hệ số xám, nâng cao độ sạch trên 90% và giảm khối lượng vỏ còn lại dưới 10%.
  • Bốn nhân tố đầu vào chính gồm thời gian cắt, tốc độ cắt, góc cắt và chiều cao cắt đã được xác định và tối ưu hiệu quả.
  • Cải tiến cụm dao cắt với bộ phận dẫn hướng và dưỡng căn góc giúp đảm bảo độ đồng nhất và ổn định trong vận hành máy.
  • Phương pháp xử lý ảnh và cân điện tử được áp dụng hiệu quả trong việc lượng hóa các chỉ tiêu chất lượng đầu ra.
  • Đề xuất các giải pháp cải tiến thiết kế, đào tạo vận hành và nâng cấp mô đun truyền động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm chi phí.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các thông số tối ưu vào sản xuất thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng phương pháp này cho các loại máy gọt nông sản khác. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và chuyên gia có thể liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.