Tổng quan nghiên cứu

Gạch bê tông khí chưng áp (AAC) là vật liệu xây dựng nhẹ, có khả năng chịu tải, cách nhiệt cao và độ bền tốt, được sản xuất với nhiều kích thước và độ bền khác nhau. Tại Việt Nam, mỗi năm tiêu thụ khoảng 20 tỉ viên gạch, dự kiến đến năm 2022 nhu cầu sẽ vượt hơn 40 tỉ viên. Việc sử dụng gạch đất nung truyền thống gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng như cạn kiệt tài nguyên đất canh tác, ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Do đó, Chính phủ đã ban hành các chính sách nhằm thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng không nung, trong đó AAC được xem là giải pháp thay thế hiệu quả.

Gạch AAC có nhiều ưu điểm vượt trội như trọng lượng nhẹ hơn gạch đỏ ba lần, bề mặt nhẵn mịn không cần trát vữa, độ nhám bề mặt dưới 160 µm giúp dễ dàng sơn phủ, và kích thước chính xác đảm bảo tính thẩm mỹ cho công trình. Tuy nhiên, quy trình sản xuất hiện nay còn tồn tại nhiều hạn chế, đặc biệt là ở công đoạn cắt gạch bằng máy cắt đứng và máy cắt ngang, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và thời gian chế tạo. Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu hóa thời gian chế tạo gạch block AAC, tập trung vào việc cải tiến máy cắt đứng và xác định thời điểm cắt tối ưu dựa trên độ cứng phôi gạch nhằm giảm thiểu phế phẩm và nâng cao năng suất.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào máy cắt gạch AAC tại công ty Vương Hải, Đồng Nai, với các thông số chính gồm thời gian cắt, độ cứng gạch thành phẩm và tỷ lệ phế phẩm. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và đáp ứng yêu cầu chất lượng ngày càng cao của thị trường vật liệu xây dựng không nung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí liên quan đến quá trình cắt vật liệu và cơ cấu truyền động máy móc. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết cắt gọt vật liệu: Phân tích ảnh hưởng của tốc độ cắt và bước tiến dao đến chất lượng bề mặt sản phẩm. Tốc độ cắt được xác định qua vận tốc rung của khung cắt, bước tiến dao là tốc độ di chuyển của khung cắt theo phương thẳng đứng. Việc điều chỉnh hai yếu tố này giúp đạt được độ nhám bề mặt dưới 160 µm, đáp ứng yêu cầu không cần trát vữa.

  2. Lý thuyết động lực học và cơ cấu truyền động: Tính toán lực căng dây cắt, ứng suất trên khung cắt và thiết kế cơ cấu tay quay con trượt, cam lệch tâm nhằm đảm bảo độ ổn định, giảm rung động và tăng tuổi thọ máy. Lực căng dây tối đa lên đến khoảng 6003 N, ứng suất khung cắt đạt 218,5 MPa, thấp hơn giới hạn bền 250 MPa, đảm bảo an toàn vận hành.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: độ nhám bề mặt (roughness), lực căng dây (tension), vận tốc cắt (cutting velocity), bước tiến dao (feed rate), và phương pháp đo độ cứng vật liệu (hardness testing).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ thực nghiệm tại công ty Vương Hải, bao gồm đo đạc độ cứng phôi gạch, thời gian cắt và tỷ lệ phế phẩm trong quá trình sản xuất. Cỡ mẫu thí nghiệm được thiết kế phù hợp với quy trình sản xuất thực tế, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

Phương pháp phân tích sử dụng quy hoạch thực nghiệm (Design of Experiments - DOE) để đánh giá mối quan hệ tương quan giữa các thông số ảnh hưởng đến thời gian chế tạo và chất lượng gạch. Phân tích phương sai (ANOVA) được áp dụng để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023, bao gồm các giai đoạn: khảo sát hiện trạng máy cắt, thiết kế cải tiến máy cắt đứng, thực hiện thí nghiệm đo độ cứng và thời gian cắt, phân tích dữ liệu và đề xuất giải pháp tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lực căng dây không đều ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt: Thực nghiệm đo lực căng dây tại máy cắt đứng cho thấy lực căng trung bình khoảng 150 N, với lực căng theo phương ngang và thẳng đứng lần lượt là 150,08 N và 4,98 N. Lực căng không đồng đều gây ra rung động và làm tăng độ nhám bề mặt gạch, dẫn đến tỷ lệ phế phẩm cao.

  2. Tốc độ cắt và bước tiến dao ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt: Vận tốc cắt tối đa được xác định là 0,5 m/s, bước tiến dao tối đa 20 m/phút. Khi vận tốc cắt và bước tiến dao được điều chỉnh hợp lý, độ nhám bề mặt giảm xuống dưới 160 µm, đáp ứng yêu cầu không cần trát vữa.

  3. Thời gian chờ phôi trước khi cắt ảnh hưởng đến độ cứng và chất lượng gạch: Thí nghiệm đo độ cứng phôi gạch cho thấy thời gian chờ tối ưu trước khi cắt là khoảng 3 giờ, giúp gạch đạt độ cứng chuẩn, giảm tỷ lệ phế phẩm xuống dưới 5%. Thời gian chờ quá dài gây lãng phí thời gian sản xuất, quá ngắn làm tăng phế phẩm.

  4. Thiết kế cải tiến máy cắt đứng giúp tăng độ ổn định và giảm rung động: Cơ cấu tay quay con trượt đối xứng, hệ thống căng dây lò xo lá và bộ phận truyền động rung được thiết kế tối ưu giúp khung cắt vận hành mượt mà, giảm rung lắc và sai lệch kích thước sản phẩm trong phạm vi ±1 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của độ nhám bề mặt cao và tỷ lệ phế phẩm là do lực căng dây không đều và rung động trong quá trình cắt. Việc áp dụng cơ cấu tay quay con trượt đối xứng và hệ thống căng dây lò xo lá đã giúp triệt tiêu moment xoắn và giảm rung động hiệu quả. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với các báo cáo về cải tiến máy cắt AAC trên thế giới, đồng thời đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam về kích thước và chất lượng gạch.

Phân tích dữ liệu thí nghiệm cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa thời gian chờ phôi và độ cứng gạch, từ đó xác định được thời điểm cắt tối ưu giúp giảm thời gian sản xuất mà vẫn đảm bảo chất lượng. Biểu đồ độ cứng và thời gian cắt minh họa rõ ràng xu hướng này, hỗ trợ việc ra quyết định trong sản xuất.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp công ty Vương Hải nâng cao năng suất, giảm chi phí nguyên liệu và phế phẩm, đồng thời đáp ứng yêu cầu thị trường về gạch AAC không cần trát vữa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải tiến hệ thống căng dây cắt: Áp dụng bộ phận căng dây lò xo lá với thiết kế đơn giản, dễ bảo trì nhằm duy trì lực căng dây ổn định, giảm rung động và tăng tuổi thọ dây cắt. Chủ thể thực hiện: bộ phận kỹ thuật công ty, thời gian: 3 tháng.

  2. Điều chỉnh vận tốc cắt và bước tiến dao: Thiết lập vận tốc cắt tối đa 0,5 m/s và bước tiến dao 20 m/phút để đạt độ nhám bề mặt dưới 160 µm, nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành, thời gian: 1 tháng.

  3. Xây dựng quy trình đo độ cứng phôi gạch: Áp dụng phương pháp đo độ cứng nhanh và dễ thực hiện để xác định thời điểm cắt tối ưu, giảm thời gian chờ phôi xuống còn khoảng 3 giờ. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển, thời gian: 2 tháng.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành máy cắt đứng: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật vận hành và bảo trì máy cắt đứng cải tiến nhằm đảm bảo vận hành ổn định và an toàn. Chủ thể thực hiện: phòng nhân sự và kỹ thuật, thời gian: 1 tháng.

  5. Theo dõi và đánh giá liên tục hiệu quả cải tiến: Thiết lập hệ thống giám sát chất lượng và năng suất sản xuất để điều chỉnh kịp thời các thông số vận hành. Chủ thể thực hiện: ban quản lý sản xuất, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia trong ngành vật liệu xây dựng: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về quy trình sản xuất và tối ưu hóa máy móc trong sản xuất gạch AAC, giúp cải tiến công nghệ và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất gạch không nung, đặc biệt là gạch AAC: Tham khảo để áp dụng các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thời gian sản xuất, tăng năng suất và giảm phế phẩm, từ đó nâng cao hiệu quả kinh doanh.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực xây dựng và vật liệu xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách phát triển vật liệu xây dựng không nung, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ vật liệu: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng lý thuyết cơ khí trong thực tiễn sản xuất vật liệu xây dựng, đồng thời cung cấp phương pháp nghiên cứu và phân tích dữ liệu thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu thời gian chế tạo gạch AAC?
    Tối ưu thời gian giúp giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao. Ví dụ, giảm thời gian chờ phôi từ 5 giờ xuống còn 3 giờ giúp tăng số lô sản xuất trong ngày.

  2. Phương pháp đo độ cứng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Phương pháp đo độ cứng shore được lựa chọn vì nhanh, dễ thực hiện và phù hợp với vật liệu gạch AAC, giúp xác định chính xác thời điểm cắt.

  3. Làm thế nào để giảm độ nhám bề mặt gạch AAC?
    Điều chỉnh vận tốc cắt và bước tiến dao, đồng thời cải tiến cơ cấu căng dây và khung cắt để giảm rung động, từ đó giảm độ nhám xuống dưới 160 µm.

  4. Máy cắt đứng có ưu điểm gì so với máy cắt ngang?
    Máy cắt đứng có kết cấu đơn giản, tận dụng không gian tốt, chất lượng bề mặt cao nhờ cơ cấu rung đối xứng, tuy nhiên cần cải tiến để tăng ổn định và giảm rung động.

  5. Tỷ lệ phế phẩm ảnh hưởng như thế nào đến sản xuất?
    Tỷ lệ phế phẩm cao làm tăng chi phí nguyên liệu và thời gian sản xuất. Nghiên cứu đã giảm tỷ lệ phế phẩm xuống dưới 5% nhờ tối ưu thời gian chờ và cải tiến máy cắt.

Kết luận

  • Gạch AAC là vật liệu xây dựng không nung có nhiều ưu điểm về trọng lượng, cách nhiệt và độ bền, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững tại Việt Nam.
  • Máy cắt đứng hiện tại gặp nhiều vấn đề về lực căng dây không đều và rung động, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và tỷ lệ phế phẩm.
  • Nghiên cứu đã thiết kế và cải tiến cơ cấu tay quay con trượt, hệ thống căng dây và điều chỉnh vận tốc cắt giúp giảm độ nhám bề mặt dưới 160 µm và sai lệch kích thước trong phạm vi ±1 mm.
  • Phương pháp đo độ cứng phôi gạch được áp dụng để xác định thời điểm cắt tối ưu, giảm thời gian chờ phôi xuống còn khoảng 3 giờ, nâng cao năng suất và giảm phế phẩm.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quy trình vận hành nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất gạch AAC, góp phần phát triển vật liệu xây dựng không nung tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các giải pháp cải tiến vào dây chuyền sản xuất tại công ty Vương Hải, đồng thời mở rộng nghiên cứu để tối ưu hóa các công đoạn khác trong quy trình sản xuất gạch AAC. Đề nghị các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển công nghệ.