Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy rửa rau - củ quả đa năng ứng dụng ở điều kiện Việt Nam : Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp Trường

BỘ CÔNG THƢƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy rửa rau - củ

quả đa năng ứng dụng ở điều kiện Việt Nam

Mã số đề tài: 19.1CK02

Chủ nhiệm đề tài: ThS.GVC. Nguyễn Thị Thúy Nga

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Cơ khí

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2020

LỜI CÁM ƠN

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Công

nghiệp Tp.HCM, phòng Quản lý Khoa học và Hợp tác Quốc tế, Khoa Công nghệ

Cơ khí, đã tạo điều kiện để chúng tôi thực hiện và hoàn thành đề tài.

Xin chân thành cảm ơn sự hợp tác nghiên cứu của Bộ môn Tự động hóa quá

trình sản xuất trƣờng Đại học Tổng hợp Kỹ Thuật Matxcơva mang tên N.E.

Bauman, GS. TSKH. Gavriuhsin S.S., đã có những đóng góp về mặt nội dung khoa

học cho đề tài.

Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Đức Nam Nhân trƣờng Đại học

Công nghiệp Tp.HCM, TS. Lê Tuấn Phƣơng Nam trƣờng đại học Tôn Đức Thắng,

TS. Ao Hùng Linh trƣờng đại học Công nghiệp Tp.HCM, TS. Nguyễn Hữu Thọ

trƣờng Đại học Công nghiệp Thực phẩm và TS. Trần Trọng Nhân trƣờng Đại học

Công nghiệp Tp.HCM cùng các đồng nghiệp khác đã góp ý cho chúng tôi về mặt

chuyên môn, những thiếu sót để chúng tôi hoàn thành đƣợc đề tài đúng tiến độ.

Cuối cùng, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động

viên, chia sẻ và hỗ trợ chúng tôi.

2

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy rửa rau - củ quả

đa năng ứng dụng ở điều kiện Việt Nam

1.2. Mã số: 19.1CK02

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực

hiện đề tài

1 ThS.GVC. Nguyễn Thị Thúy Nga IUH Chủ nhiệm đề tài

2 TS. Đặng Hoàng Minh

IUH Thành viên

chính

3 ThS. Nguyễn Thị Mỹ Hạnh IUH Thƣ ký

4 TS. Phùng Văn Bình Học viện KTQS Thành viên

5 TS. Nguyễn Việt Đức ĐH Thủy Lợi Thành viên

6 ThS. Lê Long Hồ IUH Thành viên

7 NCS. Bùi Văn Phƣơng

ĐH Kỹ thuật tổng hợp

Mátxcơva mang tên Bauman,

Liên Bang Nga

Thành viên

8

Nhóm 9 sinh viên IUH làm đồ

án/luận văn tốt nghiệp:

Trần Hiền Thọ 15064081

Lý Trần Anh Tuấn 15016171

Nguyễn Văn Thanh 15065661

Nguyễn Tiến Trung 15065361

Nguyễn Thanh Thuận 15068811

Huỳnh Hùng Thiên 15070771

Trần Thanh Nhựt 15090351

Trần Quốc Bảo 15070941

Lữ Hoàng Anh 15086381

IUH Thành viên

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Cơ khí

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 10 năm 2020

1.5.2. Gia hạn (nếu có): không

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 08 năm 2018 đến tháng 02 năm 2020

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

Không có thay đổi gì

1.7. Tổng kinh phí đƣợc phê duyệt của đề tài: 70 triệu đồng.

3

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Theo thống kê của Ủy ban dân số Quốc Gia, Việt Nam có khoảng 96.7 triệu

dân đầu năm 2018 [1]. Đi cùng với mật độ gia tăng dân số thì lƣợng tiêu thụ rau củ

ở nƣớc ta là một con số không hề nhỏ vì đặc thù văn hóa ẩm thực và những giá trị

dinh dƣỡng của chúng mang lại. Một thực tế là rau củ sau khi thu hoạch và đƣợc

bày bán trên thị trƣờng luôn bám đầy bùn đất, chƣa kể tới các hóa chất đã phun xịt

trong quá trình trồng trọt. Tại những không gian ẩm thực cộng đồng (canteen, hàng

quán, bếp ăn tập thể, v.v…) một khối lƣợng lớn rau củ luôn đƣợc tiêu thụ hằng

ngày. Do không có máy móc để hỗ trợ nên hầu nhƣ nhân viên chế biến đều phải

thực hiện việc làm sạch một cách thủ công. Điều này gây ảnh hƣởng đến sức khỏe

của ngƣời rửa cũng nhƣ ngƣời tiêu dùng. Trên thị trƣờng trong nƣớc và thế giới đã

có một số loại máy rửa rau, củ, quả ứng dụng các công nghệ mới. Tuy nhiên chúng

chƣa thực sự phù hợp với đặc điểm rau củ quả ở Việt Nam. Vì vậy trong đề tài này

các tác giả đã nghiên cứu và đề xuất một loại máy rửa rau củ kiểu mới, phù hợp với

điều kiện trồng trọt ở nƣớc ta. Máy sử dụng các kết cấu cơ khí độc đáo kết hợp với

công nghệ điện-điện tử hiện đại giúp điều chỉnh đƣợc các chế độ làm sạch khác

nhau. Điều này tạo sự thuận tiện và tiết kiệm năng lƣợng cho ngƣời sử dụng. Các cơ

chế hoạt động của máy sẽ đƣợc thực nghiệm thông qua mô phỏng và các mô hình

cỡ nhỏ, làm tiền đề cho việc tính toán và thiết kế tối ƣu về sau. Sản phẩm đầu ra của

đề tài sẽ là một mô hình máy thử nghiệm hoạt động với năng suất rửa 2-3 kg rau củ

trong vòng 5-6 phút cho một lần rửa và một bài báo Scopus. Đề tài có ý nghĩa về

mặt khoa học và ứng dụng thực tiễn trong đời sống xã hội.

2. Mục tiêu

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một máy rửa rau – củ quả đa năng kiểu

mới quy mô công nghiệp ứng dụng cho các bếp ăn tập thể đông ngƣời ở Việt Nam

3. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Toàn bộ quá trình thiết kế máy đƣợc thực hiện dựa trên quy trình PAMMS

(Procedure for Automation of Mathematical Modeling and Solution) đƣợc các tác

giả đề xuất

- Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến máy rửa rau củ - quả kiểu mới, nhƣ: động lực

học máy (phản lực động tại các khớp và chân máy, tính công suất động cơ, lựa chọn

thông số lò xo, tính toán bộ truyền cardan, tính toán ổ lăn và gối đỡ, khảo sát dao

động của khung máy, lồng rau, bể nƣớc, v.v…), xây dựng mô hình toán cho máy,

v.v… đƣợc nghiên cứu và giải quyết bằng các phƣơng pháp Phƣơng pháp cơ học cổ

điển của sức bền vật liệu, phƣơng pháp năng lƣợng, v.v..

- vấn đề nghiên cứu lực cản của nƣớc đƣợc thực hiện dựa trên phần mềm mô phỏng

ABAQUS

- Chế tạo mô hình máy rửa rau củ quả kiểu mới, dựa trên nền tảng các môn học

nguyên lý chi tiết máy, các phƣơng pháp gia công, điều khiển máy, v.v…

4

- Việc tìm bộ thông số rửa phù hợp đƣợc thực hiện dựa trên phƣơng pháp thực

nghiệm khi thay đổi các thông số hệ thống điều khiển để vận hành máy.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Đề tài đã hoàn thành 100% khối lƣợng công việc nhƣ trong bản thuyết minh. Cụ thể

là:

- Một bài báo SCOPUS

- Một mô hình máy rửa rau-củ quả đa năng

- Các bản vẽ thiết kế

- Đào tạo bậc đại học

5. Đánh giá các kết quả đã đạt đƣợc và kết luận

Các tác giả đã thực hiện đề tài nghiên cứu nghiêm túc và đúng tiến độ. Trên

thực tế công việc của đề tài đã đƣợc thực hiện trƣớc khi ký hợp đồng 1 năm. Nên

chỉ sau 5 tháng kể từ khi ký hợp đồng nhóm tác giả đã hoàn thành đề tài này.

Kết quả khoa học quan trọng nhất (Theo ý kiến của hội đồng Ban giám hiệu

nhà trƣờng) là bài báo SCOPUS đã đƣợc đăng cuối tháng 01/2020

Mô hình thử nghiệm của máy dùng để thực nghiệm nguyên lý và khả năng

rửa đã đƣợc thiết kế và chế tạo đầy đủ cả phần Cơ khí và điều khiển. Kết quả vận

hành và thực nghiệm cho thấy nguyên lý làm việc đúng nhƣ thiết kế ban đầu. Đã sử

dụng chúng để tìm ra đƣợc các thông số rửa rau ăn lá thân cứng, thân mềm, rửa củ,

vắt rau. Tuy nhiên để hoàn thiện hơn mô hình máy và để có bản vẽ thiết kế hàng

loạt một cách hoàn chỉnh, đề tài này vẫn cần đƣợc đầu tƣ thêm kinh phí để tiếp tục

nghiên cứu và phát triển.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy rửa rau - củ quả đa năng ứng

dụng ở điều kiện Việt Nam” đƣợc triển khai nhằm tìm ra một cơ cấu máy rửa rau củ

quả tự động kiểu mới giúp tiết kiệm nƣớc, năng lƣợng và giảm sức lao động của

con ngƣời. Sau khi thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã thu đƣợc các kết quả, thể hiện

trong mục 4. Các kết quả này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn giúp chế tạo ra

những máy rửa rau củ qua kiểu mới có chất lƣợng và độ cạnh tranh cao. Chi tiết nội

dung của các kết quả sẽ đƣợc thể hiện ở các mục dƣới và phụ lục.

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt đƣợc

5

1

Một mô hình máy thử

nghiệm rửa rau-củ quả

đa năng

- Kích thƣớc dự kiến

tối đa 2.3m x 1.8m x

1.3m

- Năng suất dự kiến:

rửa 2-3 kg rau/củ

trong vòng 5-6’

- Kích thƣớc 1.018 x

1.05 x 1.029 m

- Năng suất 2 kg rau

và củ / 2’

2 Bản vẽ thiết kế

Các bản vẽ chi tiết

và bản vẽ lắp các bộ

phận máy, bản vẽ 3D

của mô hình máy rửa

rau củ kiểu mới

Đã đạt đƣợc

3 Một bài báo Scopus

Dựa trên một trong

các chủ đề trong mục

nội dung của thuyết

minh

“Dynamic Analysis

and Multi-Objective

Optimization of

Slider-Crank

Mechanism for An

Innovative Fruit and

Vegetable Washer”

4

Tham dự hội nghị toàn

quốc lần I về Động lực

học và điều khiển

(VADC-2019)

Dựa trên nội dung

của bài báo

SCOPUS

“Phân tích động lực

học và tối ưu thông số

máy rửa rau kiểu

mới”

Không nằm trong

đăng ký đề tài nhƣng

đã làm đƣợc trong quá

trình thực hiện đề tài

5

Tham dự hội nghị Quốc

tế The International

Symposium on

Computer Science,

Digital Economy and

Intelligent Systems.

CSDEIS 2019:

Advances in Intelligent

Systems, Computer

Science and Digital

Economics, LB Nga

“Application of a

Novel Model

“Requirement –

Object – Parameter”

for Design

Automation of

Complex Mechanical

System”

Không nằm trong

đăng ký đề tài nhƣng

đã làm đƣợc trong quá

trình thực hiện đề tài

6

6 Bằng sáng chế

“Máy rửa rau củ

quả đa năng”

Đã đƣợc thông qua về

mặt hình thức, đang

trong quá trình thẩm

định nội dung. Không

nằm trong đăng ký đề

tài nhƣng đã làm đƣợc

trong quá trình thực

hiện đề tài

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ đƣợc

chấp nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trƣờng ĐH Công Nghiệp Tp. HCM đã

cấp kính phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối

báo cáo. (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính

và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

3.2. Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian

thực hiện đề tài

Tên đề tài

Tên chuyên đề nếu là NCS

Tên luận văn nếu là Cao học

Đã bảo vệ

Nghiên cứu sinh

Học viên cao học

Sinh viên Đại học

Trần Hiền Thọ

15064081

Lý Trần Anh Tuấn

15016171

Nguyễn Văn Thanh

15065661

Nguyễn Tiến Trung

15065361

Nguyễn Thanh Thuận

15068811

Huỳnh Hùng Thiên

15070771

Trần Thanh Nhựt

15090351

Trần Quốc Bảo

15070941

Lữ Hoàng Anh

15086381

8

tháng

28/12/2019

Ghi chú:

7

- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và

bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành

công luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV. Tình hình sử dụng kinh phí

T

T

Nội dung chi

Kinh phí

đƣợc duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí

thực hiện

(triệu đồng)

Ghi

chú

A Chi phí trực tiếp

1 Thuê khoán chuyên môn 5.845 5.845

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..

3 Thiết bị, dụng cụ 59.155 59.155

4 Công tác phí

5 Dịch vụ thuê ngoài

6 Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ

7 In ấn, Văn phòng phẩm

8 Chi phí khác

B Chi phí gián tiếp

1 Quản lý phí 5 5

2 Chi phí điện, nƣớc

Tổng số 70 70

V. Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Đây là một loại máy mới (về mặt nguyên lý) trên thị trƣờng hiện chƣa có, nên với

kinh phí đƣợc cấp trong đề tài (59.155 triệu) nhóm tác giả chƣa thể nghiên cứu và

phát triển thiết kế ở mức sản xuất hàng loạt. Mô hình đƣợc thiết kế và chế tạo chỉ

dừng ở mức thử nghiệm, còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu, thực nghiệm và cải

tiến để loại máy này có thể phát triển ở mức thƣơng mại hóa. Vì lý do đó, nhóm tác

giả kiến nghị khoa Công nghệ cơ khí cho phép để mô hình lại ở xƣởng thực hành để

các nhóm Sinh viên tiếp theo tiếp tục nghiên cứu phát triển, đồng thời cho phép cấp

kinh phí cho những đề tài NCKH tiếp theo của nhóm tác giả liên quan đến loại máy

này.

VI. Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

- Hình ảnh về mô hình máy thử nghiệm

- Minh chứng bài báo scopus

- Minh chứng hội nghị toàn quốc lần I về Động lực học và điều khiển

- Minh chứng hội nghị Quốc tế The International Symposium on Computer

Science, Digital Economy and Intelligent Systems

- Bản chụp hình giấy chấp nhận hình thức của Cục sở hữu trí tuệ cho bằng

sáng chế “Máy rửa rau củ quả đa năng”

Tp. HCM, ngày 02 tháng 03 năm 2020

8

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)

Trƣởng (đơn vị)

(Họ tên, chữ ký)

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng

nghiệm thu)

II.1 Thiết kế ý tƣởng

II.1.1. Phát triển ý tƣởng

Qua quá trình tìm hiểu về nhu cầu thị trƣờng cũng nhƣ khảo sát nhu cầu của

ngƣời sử dụng ở chƣơng I, tác giả rút ra đƣợc kết luận: Hiện tại ở thị trƣờng thế

giới nói chung và thị trƣờng Việt Nam nói riêng, nhu cầu sử dụng máy rửa rau ở

quy mô vừa và nhỏ, đáp ứng đƣợc đồng thời nhiều tiêu chí quan trọng về giá thành,

mức độ tự động hóa, tiêu chí tiết kiệm năng lƣợng, nƣớc,…là khá cấp thiết.. Từ đó

tác giả nhận thấy rằng cần xây dựng một quy trình thiết kế máy theo nhiều mục tiêu

và các yêu cầu của ngƣời sử dụng, dựa trên những nghiên cứu đã có tác giả đã xây

dựng quy trình nhƣ sau để tận dụng các ý tƣởng và phát triển nó một cách hợp lý.

Hình 1: Các bƣớc phát triển ý tƣởng

1) Xây dựng sơ đồ cây mục tiêu WHW (Why-How-What/What Do)

Dựa trên những khảo sát có đƣợc ta cần xây dựng sơ đồ cây mục tiêu để hình

thành nên các cơ cấu, hệ thống cơ khí, nguyên lý vận hành và toàn bộ những công

việc, kế hoạch mà ta cần phải thực hiện để thiết kế hệ thống cơ khí theo các yêu cầu

9

ban đầu đặt ra. Bên cạnh đó, sơ đồ cây mục tiêu có thể giúp ta tìm ra những cơ cấu

mới, lựa chọn những nguyên lý và phƣơng pháp để sao cho không trùng lặp, hoặc

ƣu việt hơn những hệ thống đã có trên thị trƣờng.

Theo sơ đồ hình 2, ở cột WHY, chúng ta dựa vào nhu cầu và yêu cầu từ thị

trƣờng, từ đơn đặt hàng để liệt kế ra tất cả những yêu cầu về tính năng, chất lƣợng,

đặc điểm đầu ra của hệ thống cơ khí cần chế tạo. Ví dụ nhƣ chất lƣợng rửa, giá

thành sản xuất, vận hành, bảo trì, kích thƣớc và năng suất của máy. Dựa vào những

yêu cầu này, ở cột HOW, chúng ta sẽ tìm kiếm sơ bộ những nguyên lý, những cơ

cấu, những giải pháp để đạt đƣợc các yêu cầu ở cột WHY. Nếu nhƣ những nguyên

lý này đã có ở những hệ thống cơ khí hiện hành, thì chúng ta nên hƣớng tới những

phƣơng pháp mới. Do đó để thực hiện những nguyên lý mà ta lựa chọn, ở cột

WHAT / WHAT DO cần liệt kê những chi tiết, cụm chi tiết, hệ thống cơ khí “cơ

bản”, ví dụ nhƣ những cơ cấu kinh điển trong thƣ viện cơ học nguyên lý máy,

những mối ghép cơ bản trong lĩnh vực chi tiết máy, v.v…. nhƣng cụ thể ở đây ta lựa

chọn những cơ cấu mà ta đã lên ý tƣởng sau đó xem cơ cấu nào là tối ƣu và phù hợp

các mục tiêu ban đầu để tiến hành.

Sau khi lựa chọn đƣợc một cơ chế rửa phù hợp ta tiến hành phân tách cơ chế đó

bằng cách xây dựng các sơ đồ cây mục tiêu riêng cho từng hệ thống cơ khí đƣợc sử

dụng để điều khiển quá trình rửa rau. Trong khuôn khổ báo cáo này, tác giả trình

bày sơ đồ cây mục tiêu trong đó hạt nhân là cơ chế tạo chuyển động dập dềnh theo

phƣơng ngang

10

Hình 2: Sơ đồ cây mục tiêu cơ chế máy rửa rau

Hình 3: Sơ đồ cây mục tiêu cơ cấu trong máy rửa rau

Cơ chế dập dềnh theo phƣơng ngang có thể đƣợc thực hiện với sự hỗ trợ của cơ

cấu cam hoặc tay quay con trƣợt. Qua quá trình so sánh phân tích, cơ cấu tay quay

con trƣợt đƣợc lựa chọn bởi những ƣu điểm mà cơ cấu cam còn hạn chế (giảm tiếng

ồn và giảm công suất động cơ). Song song với chuyển động dập dềnh theo phƣơng

ngang để tăng hiệu quả sạch rau, trong quá trình rửa cần một động tác xoay lồng để

đảo cho phần rau còn lại ngập trong nƣớc. Tác giả đã dùng bộ truyền Cardan để

truyền momen quay cho lồng trong khi vẫn đảm bảo chuyển động dập dềnh theo

phƣơng ngang.

Bên cạnh đó nhận thấy cơ chế ban đầu là dập dềnh phƣơng ngang đồng thời

xoay lồng để đảo rau là chƣa đủ để đáp ứng yêu cầu chất lƣợng rửa ở cột WHY

(hình 3), do đó chƣa thể đáp ứng đƣợc tiêu chí tiết kiệm nƣớc. Vì vậy tác giả đã kết

hợp thêm các cơ chế phụ là cấp và xả nƣớc liên tục với lƣợng nƣớc bằng nhau với

mục đích tạo ra luồng xoáy nƣớc cuốn trôi bùn đất ra ngoài theo lỗ thoát nƣớc ở đáy

bể, từ đó đảm bảo đƣợc độ sạch của rau.