Nội dung bài báo trình bày việc khảo sát thực nghiệm máy sàng phân loại, làm sạch lạc giống quy mô công nghiệp bằng phương pháp thực nghiệm tại cơ sở sản xuất và kết hợp với phân tích phương sai trên mô hình quy hoạch hóa thực nghiệm. Kết quả phân tích quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố với 3 hàm mục tiêu là: độ sạch sản phẩm lớn nhất, độ sót nhỏ nhất và chi phí năng lượng điện nhỏ nhất, từ đó đã xác định được 4 thông số tối ưu đầu vào là năng suất 1,3 tấn/h; tần số lắc 316,72 vòng/phút; lưu lượng quạt 2200m3/h và góc nghiêng là 5,20; kết quả này phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết.

Cây lạc là một trong những cây trồng lấy dầu thích hợp với khí hậu nhiệt đới như ở Việt Nam. Theo tổng cục thống kê, sản lượng lạc cả nước năm 2015 đạt khoảng 454,1 nghìn tấn ước tính đến năm 2018 sản lượng lạc khoảng 462 nghìn tấn tăng 98,2% như vậy sản lượng tăng lên tương đối nhanh [1]. Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) dự báo rằng sự cải tiến các giống lạc cũng sẽ làm tăng năng suất và sản lượng. Hiện tại để đáp ứng nhu cầu gia tăng trong nước, đã xuất hiện nhiều vùng trồng lạc quy mô lớn như: Tuyên Quang, Nghệ An, Quảng Trị, Trà Vinh…[1-3]. Tuy nhiên, ở nước ta với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều nên lạc thu hoạch rất dễ bị nấm mốc. Do vậy, trong quá trình bảo quản và chế biến lạc rất dễ bị hư hỏng. Bởi vậy với lạc giống việc chế biến bảo quản được tiến hành đảm bảo đúng yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng giống (độ ẩm, độ đồng đều hạt), đây cũng là khó khăn trong công việc bảo quản đối với những người sản xuất, chê biến. Mặc dù gần đây ở một số doanh nghiệp, cơ sở chế biến nông sản đã ứng dụng công nghệ cao, khoa học kỹ thuật tiên tiến đưa vào một số thiết bị ứng dụng trong sấy chế biến lạc giống, tuy nhiên mới chỉ quan tâm đến công đoạn sấy. Để nâng cao phẩm cấp giá trị của lạc giống ngoài việc đánh giá qua độ ẩm sản phẩm sau khi sấy còn đánh giá trên chỉ tiêu độ sạch, độ đồng đều của sản phẩm. Vì thế lạc cần được làm sạch và phân loại trước khi đưa đi xử lý làm giống. Theo nghiên cứu của nhóm tác giả trong công trình [2] cho thấy, với nguyên lý sàng lắc song phẳng là lựa chọn tối ưu về độ sạch và độ đồng đều sản phẩm. Chính bởi vậy việc nghiên cứu khảo sát máy sàng phân loại/làm sạch lạc giống theo nguyên lý này là cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn và được đề cập trong bài báo này.

Khảo sát thực nghiệm quá trình phân loại/làm sạch lạc giống trong dây chuyền chế biến lạc giống quy mô công nghiệp tại cơ sở sản xuất để đánh giá chất lượng sản phẩm sau quá trình sấy (độ sạch sản phẩm, độ sót sản phẩm), ngoài ra đánh giá tính năng kỹ thuật và chất lượng thiết bị máy sàng phân loại.

Xây dựng các hàm hồi quy trên mô hình quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố lựa chọn được các giá trị tối ưu kiểm tra các thông số chất lượng.

Trong bài báo này đã sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị sàng phân loại lạc giống kí hiệu PLLR: 1-2 do Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp chế tạo và khảo nghiệm tại hiện trường. Lạc giống từ tháp sấy năng suất quy mô công nghiệp qua băng tải được cấp liệu lên phễu nạp liệu của máy sàng, tại đây lượng nguyên liệu cấp vào sẽ không bị dồn cục bộ mà được dàn đều trên bề mặt sàng nên khả năng phân loại/làm sạch sẽ tốt hơn, hiệu suất phân loại của sàng cao hơn. 

Kết hợp với phương pháp mô hình quy hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố tìm hàm hồi quy tối ưu với sơ đồ bố trí dàn thực nghiệm như hình 1:

Quá trình thực nghiệm máy sàng phân loại lạc giống trong dây chuyền chế biến lạc giống quy mô công nghiệp nhằm kiểm tra các thông số kỹ thuật chính của máy, đánh giá chất lượng thiết bị. Khảo nghiệm xác định các thông số kỹ thuật của máy tương ứng với các điều kiện đầu vào của sản phẩm thông qua việc hiệu chỉnh các thông số công nghệ như tần số lắc (số vòng quay) của sàng và góc nghiêng đặt lưới sàng, từ đó đánh giá chi phí năng lượng cho quá trình phân loại. Quá trình thực nghiệm máy sàng với các thông số kỹ thuật cơ bản như trên bảng 1. 

Quá trình thực nghiệm được tiến hành khảo sát trên thiết bị với các thông số cơ bản như bảng 1 với mục đích xác định và đánh giá quá trình phân loại/làm sạch đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất (độ sạch đạt giá trị lớn nhất, độ sót sản phẩm đạt giá trị nhỏ nhất), kết quả thực nghiệm được trình bày tóm lược như trong bảng 2.

Thông qua kết quả thực nghiệm như trên bảng 2 đối với «mẫu» máy sàng phân loại nêu trên cho thấy sự phù hợp giữa các thông số thiết kế và các thông số đo được trong quá trình khảo nghiệm. Quá trình thực nghiệm đã đo xác định được giá trị lượng cung cấp (năng suất) của máy sàng phân loại, đánh giá chất lượng sản phẩm phù hợp với chỉ tiêu thiết kế, giảm thiểu thời gian và chi phí năng lượng. Cụ thể kết quả trung bình qua 5 lần khảo nghiệm cho thấy: độ sạch đạt được 97,76% ; độ sót 0,82%, như vậy thiết bị đạt yêu cầu chất lượng của một máy sàng phân loại/làm sạch. Ngoài ra các yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa tần số lắc của sàng và lưu lượng quạt gió tới độ sạch sản phẩm được biểu diễn như trên đồ thị hình 2, hình 3.

Đồ thị hình 2 và hình 3 cho thấy qua nhiều lần khảo nghiệm có được dải giá trị đánh giá độ sạch sản phẩm phụ thuộc vào hai yếu tố khảo sát như tần số lắc của sàng và lưu lượng quạt. Tuy nhiên sự ảnh hưởng của hai yếu tố này tới độ sạch sản phẩm không tuân theo quy luật. Bởi vậy để đánh giá tối ưu chất lượng thiết bị phân loại, ngoài quá trình thực nghiệm, ở đây nhóm tác giả kết hợp phần mềm quy hoạch hóa thực nghiệm sử dụng phương pháp phân tích phương sai tìm thông số tối ưu cho quá trình phân loại để rút ngắn thời gian thí nghiệm (khảo nghiệm), kết quả được trình bày ở mục 3.2.

Sử dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao để thiết kế các phương án thí nghiệm với 4 yếu tố ảnh hưởng: lượng cung cấp, tần số lắc, góc nghiêng đặt sàng và lưu lượng quạt hút. Tiến hành quy hoạch trực giao đối xứng, mỗi yếu tố tiến hành tại 3 mức. Sử dụng miền quy hoạch siêu khối vuông với các giá trị mã hóa của thông số là -1, 0, +1 như trong bảng 3. Quy hoạch thực nghiệm đưa ra bảng ma trận thực nghiệm với 3 hàm mục tiêu là độ sạch sản phẩm, độ sót sản phẩm và chi phí năng lượng riêng. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định bằng thuật toán Box-Behnken. Với kế hoạch Box-Behnken này được xây dựng theo một số ý đồ của phân tích phương sai. Chúng gồm phần cơ bản và một số điểm thí nghiệm trung tâm. Phần cơ bản là bộ chọn, xác định từ các cột của thực nghiệm toàn phần 3n. Cơ sở để xây dựng kế hoạch Box-Behnken khi n = 4 cho ở bảng 3 dưới đây.

Ngoài phần cơ bản, số thí nghiệm ở tâm N0 = 3 khi n = 4. Ta thấy đặc điểm của các kế hoạch loại này là tại mỗi điểm thí nghiệm ở phần cơ bản chỉ có một số ít thông số có giá trị khác không. Cụ thể khi n = 4 chỉ có hai thông số có giá trị khác không. Tính chất này có lợi cho các tình huống thực tế, giúp ta thay đổi nhanh các phương án kết hợp các mức thông số, giảm đáng kể thời gian thí nghiệm.

Xử lý số liệu thực nghiệm bằng phần mềm Design Expert® 7.0 để phân tích các hệ số hồi quy, mặt đáp ứng và tối ưu hóa với thuật toán hàm mong đợi.

Từ kết quả nghiên cứu tác động của từng yếu tố năng suất, tần số lắc của sàng, lưu lượng quạt gió và góc nghiêng sàng, bằng phần mềm thống kê Design-Expert 7.0 phân tích các hệ số hồi quy, mặt đáp ứng và tối ưu hóa với thuật toán hàm mong đợi, nhóm tác giả thiết lập mô hình nghiên cứu tác động của 4 yếu tố ảnh hưởng (4 yếu tố đầu vào) đến 3 yếu tố «đầu ra» như: độ sạch sản phẩm Y1, độ sót sản phẩm Y2 và chi phí năng lượng riêng Y3. Phần mềm đã đưa ra mô hình gồm 29 thí nghiệm cho 4 yếu tố ảnh hưởng với hàm mục tiêu là Y1, Y2, Y3 tạo thành, thu được kết quả như bảng 5.

Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp tối ưu hóa trên phương pháp “dựa vào mô hình thực nghiệm mà không sử dụng phương pháp dò tìm” trong điều kiện khi mà hàm tối ưu Y_i(X_j) chưa biết, nhưng ở đây dựa vào kết quả đo được các giá trị Y₁, Y₂, Y₃ trong các tổ hợp khác nhau của các thông số X₁, X₂, X₃, X₄ khi thực nghiệm đơn yếu tố. Kết quả thu được từ 29 thí nghiệm nêu trong bảng 5 trên phần mềm thống kê Design – Expert 7.0 đánh giá sự phù hợp và có nghĩa của mô hình. Bài toán tối ưu được thiết lập dựa trên phương trình hồi quy xác định bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm là hàm mô tả sự phụ thuộc của độ sạch sản phẩm, độ sót sản phẩm và chi phí năng lượng riêng vào các nhân tố lượng cung cấp, tần số lắc, lưu lượng quạt và góc nghiêng đặt sàng. Mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu với các biến mã hóa như sau:

- Phương trình hồi quy thực nghiệm biểu diễn ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ đến độ sạch sản phẩm:

- Phương trình hồi quy thực nghiệm biểu diễn ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ đến độ sót sản phẩm:

- Phương trình hồi quy thực nghiệm biểu diễn ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ đến chi phí năng lượng riêng:

Kết quả biểu diễn các mối quan hệ thông qua các phương trình hồi quy thực nghiệm được trình bày dưới dạng đồ thị như trên các hình 4 đến hình 7.

Kết quả từ các đồ thị trên chuyển các giá trị mã hóa sang giá trị thực nhận được các thông số công nghệ ảnh hưởng tối ưu cho máy sàng phân loại.

Phương trình hồi quy thực nghiệm độ sạch sản phẩm, độ sót sản phẩm là một hàm số bậc hai với hệ số X₁², X₂², X₃², X₄² mang giá trị dương thể hiện mặt đáp ứng của các phương trình ở dạng lõm. Phương trình hồi quy thực nghiệm chi phí năng lượng riêng là một hàm số bậc hai với hệ số X₁², X₂², X₃², X₄² mang giá trị âm thể hiện mặt đáp ứng của phương trình ở dạng lồi cho nên có cực đại. Các đường tròn trên các hình 4, hình 5, hình 6 là các đường đẳng trị độ sạch, độ sót sản phẩm và chi phí năng lượng riêng có xu hướng hội tụ về đỉnh mặt đáp lồi và mặt đáp lõm. Như vậy các thông số công nghệ ảnh hưởng đồng thời đến độ sạch, độ sót sản phẩm và chi phí năng lượng riêng với mức độ khác nhau và có độ tin cậy cao.

Khi giải bài toán tối ưu đánh giá độ sạch sản phẩm Y₁ với hàm mong đợi đạt được là lớn nhất, độ sót sản phẩm Y₂ với hàm mong đợi đạt được là nhỏ nhất, chi phí năng lượng riêng Y₃ với hàm mong đợi đạt được là thấp nhất (hình 7) bằng cách chập mục tiêu theo thuật toán “hàm mong đợi” đã tìm được phương án tối ưu nhất đánh giá độ sạch sản phẩm tối đa theo mô hình (bảng 6).

Do phương pháp mặt đáp ứng được thiết lập dựa trên một số lượng hữu hạn các thực nghiệm, dẫn đến có những điểm không phản ánh đúng giá trị thực của hàm mục tiêu. Để kiểm tra tính đúng đắn của phương pháp, tác giả tiến hành kiểm chứng bằng thực nghiệm tại điểm tối ưu. Tiến hành so sánh hàm mục tiêu của thực nghiệm với hàm mục tiêu theo lý thuyết. Kết quả cho thấy sự sai khác/chênh lệch về giá trị các hàm mục tiêu theo phương trình của mô hình và thực nghiệm tương đối nhỏ. Điều này chứng tỏ kết quả từ sự tính toán của mô hình và thực nghiệm tương đối thống nhất. Nhóm tác giả lựa chọn giá trị mà thuật toán đưa ra bao gồm: lượng cung cấp 1,3 tấn/h; tần số lắc 333,67 vòng/phút; lưu lượng quạt 2200 m3/h; góc nghiêng sàng 5,20 là giá trị tối ưu nhất cho quá trình phân loại/làm sạch lạc giống. 

Kết quả nghiên cứu trên mô hình quy hoạch hóa thực nghiệm bằng phương pháp phân tích phương sai đã xác định được hàm tối ưu cho chất lượng sản phẩm lạc giống với độ sạch sản phẩm lớn nhất đạt 97,47%, độ sót sản phẩm nhỏ nhất đạt 0,85% và chi phí năng lượng riêng thấp nhất đạt 4,62Kwh/t. So sánh với kết quả khảo sát thực nghiệm tại cơ sở sản xuất đo được cho thấy độ sạch sản phẩm đạt 97,76%, độ sót sản phẩm đạt 0,82%, chi phí năng lượng riêng 4,738Kwh/t. Sự chênh lệch về giá trị giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm không nhiều, do đó chế độ làm việc của sàng phân loại trong thực nghiệm có độ tin cậy cao. Mặt khác từ các kết quả nêu trên có thể làm cơ sở cho việc quyết định lựa chọn các thông số công nghệ để làm chế độ vận hành máy để đạt hiệu quả cao nhất.

[1].http://www.vietrade.gov.vn/tin-tuc/tinh-hinh-san-xuat-va-xuat-nhap-khau-mot-so-nong-san-cua-viet-nam-quy-2-nam-2017-phan-1

[2]. Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Đình Tùng, và cộng sự (2017). Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo máy sàng làm sạch và phân loại lạc giống năng suất 1-1,2 tấn/h trong dây chuyền sấy lạc giống quy mô công nghiệp. Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ năm 2017- Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp.

[3]. Nguyễn Đình Tùng (2016). Nghiên cứu sấy lạc trong máy sấy dòng cắt nhau, Tạp chí Công nghiệp nông thôn, số 20, năm 2015.

[4]. Design-Expert version 7.1 (2007), Software for desig of experiments, Stat-Ease, Inc, Minneapolis, USA.

[5]. Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực nghiệm. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

[6]. Nguyễn Trọng Hùng, Phùng Xuân Sơn (2016), Giáo trình thiết kế thực nghiệm trong chế tạo máy. Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội.

[7]. Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang (1998). Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp. Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.