Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng kéo bám và ổn định của liên hợp máy kéo bánh hơi với cày chăm sóc rừng làm việc trên đất dốc

Chia sẻ: Nhiên Hà | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:165

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án tiến hành nghiên cứu tổng quan về tính năng kéo bám và ổn định của các LHM canh tác trên đất dốc nói chung và làm đất chăm sóc rừng nói riêng. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số hệ số thực nghiệm, thông số đầu vào cho mô hình lý thuyết; kiểm chứng mô hình nghiên cứu lý thuyết; xác định khả năng kéo bám, ổn định và một số chỉ tiêu làm việc của LHM trong điều kiện thực tế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng kéo bám và ổn định của liên hợp máy kéo bánh hơi với cày chăm sóc rừng làm việc trên đất dốc

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP –––––––––––***––––––––––– TÔ QUỐC HUY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KÉO BÁM VÀ ỔN ĐỊNH CỦA LIÊN HỢP MÁY KÉO BÁNH HƠI VỚI CÀY CHĂM SÓC RỪNG LÀM VIỆC TRÊN ĐẤT DỐC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2021
i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP –––––––––––***––––––––––– TÔ QUỐC HUY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KÉO BÁM VÀ ỔN ĐỊNH CỦA LIÊN HỢP MÁY KÉO BÁNH HƠI VỚI CÀY CHĂM SÓC RỪNG LÀM VIỆC TRÊN ĐẤT DỐC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS NGUYỄN NHẬT CHIÊU 2. TS ĐOÀN VĂN THU Hà Nội, 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào khác. Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2021 Tác giả luận án Tô Quốc Huy
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin trân trọng cảm ơn ban lãnh đạo, tập thể cán bộ phòng Đào tạo sau Đại học; các quý thầy cô thuộc Khoa Cơ điện và Công trình của trường Đại học Lâm nghiệp; cảm ơn Ban Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế thuộc Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện cho phép tôi tham gia học tập và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án tiến sĩ. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Nhật Chiêu và TS. Đoàn Văn Thu đã định hướng nghiên cứu, tận tình chỉ bảo với sự tận tâm, trách nhiệm cao nhất và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thiện luận án này. Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học thuộc câu lạc bộ Cơ khí động lực, các nhà khoa học chuyên ngành cơ khí động lực của Trường Đại học Lâm nghiệp; Học viện Nông nghiệp Việt Nam; Học viện Kỹ thuật quân sự; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Trường Đại học Giao thông vận tải; Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, … đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt là các thành viên trong gia đình đã tạo điều kiện giúp đỡ, ủng hộ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả luận án Tô Quốc Huy
iii MỤC LỤC Lời cam đoan .......................................................................................................... I Lời cảm ơn.............................................................................................................II Mục lục ................................................................................................................ III Danh mục các từ ký hiệu và từ viết tắt............................................................... VII Danh mục các bảng biểu ..................................................................................... XI Danh mục các hình và đồ thị .............................................................................. XII MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................... 6 1.1.Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng ......................................... 6 1.1.1 Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng trên thế giới .......... 6 1.1.2. Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng ở Việt Nam ........ 10 1.1.2.1. Đặc điểm rừng trồng và những yêu cầu kỹ thuật làm đất trồng chăm sóc rừng. .............................................................................................................. 10 1.1.2.2. Những nghiên cứu về cơ giới trồng, chăm sóc rừng ở Việt Nam. ..... 13 1.2.Tình hình nghiên cứu tính chất kéo, bám của máy kéo trong sản xuất nông lâm nghiệp ................................................................................................................ 16 1.2.1. Tính chất kéo bám của máy kéo trên đất dốc ........................................... 16 1.2.2. Nghiên cứu về tính chất kéo bám của máy kéo trong sản xuất nông lâm nghiệp.................. ..................................................................................................... 19 1.3. . Tình hình nghiên cứu về ổn định của ô tô, máy kéo trong sản xuất nông lâm nghiệp. ................................................................................................................. 25 1.3.1. Khả năng ổn định của máy kéo khi làm việc trên đất dốc .................... 25 1.3.1.1. Tính ổn định tĩnh dọc của máy kéo trên đất dốc ................................ 26 1.3.1.2. Tính ổn định dọc của máy kéo khi làm việc trên đất dốc: ................. 28 1.3.1.3. Ổn định của máy kéo bánh hơi khi làm việc với máy công tác treo.. 29 1.3.1.4. Tính ổn định của máy kéo khi bánh chủ động bị nên chặt ................ 30
iv 1.3.1.5. Tính ổn định ngang tĩnh của máy kéo ................................................ 32 1.3.1.6. Ổn định trượt ngang, lệch hướng của máy kéo khi chuyển động.. 33 1.3.1.7. Tính ổn định của máy kéo làm việc trên địa hình mấp mô: .......... 34 1.3.1.8. Ổn định ngang của máy kéo khi quay vòng: ................................ 35 1.3.2.Nghiên cứu về ổn định của ô tô, máy kéo trong nông lâm nghiệp .... 36 1.4. Đối tượng, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu của luận án ... 39 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................... 39 1.4.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 40 1.4.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 41 1.4.4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 41 1.4.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết .................................................... 41 1.4.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .............................................. 42 1.5. Kết luận chương 1............................................................................................. 43 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA LHM CÀY CHẢO KHI LÀM VIỆC TRÊN DỐC NGANG .............................................................. 45 2.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học kéo của LHM cày chảo ........... 45 2.1.1. Phân tích cấu trúc cày chảo ....................................................................... 47 2.1.2. Mô hình ổn định hướng chuyển động thẳng của máy kéo bánh hơi trên dốc ngang... .............................................................................................................. 48 2.1.3. Phân tích cấu trúc và xây dựng mô hình máy kéo.................................... 55 2.1.4. Xây dựng mô hình động lực LHM cày chảo trên dốc ngang .................. 56 2.1.5. Xác định đường đặc tính động cơ ............................................................. 60 2.1.6. Phân tích hệ thống truyền lực của máy kéo .............................................. 61 2.1.7. Mô hình bánh xe chủ động làm việc trên dốc ngang ............................... 63 2.1.8. Tính lực kéo của máy kéo trên dốc ngang ................................................ 68 2.2. Lập phương trình vi phân chuyển động của LHM .......................................... 72 2.3. Quan hệ của các chỉ tiêu kéo bám với các chỉ tiêu làm việc của LHM .......... 74 2.3.1. Quan hệ giữa độ trượt với năng suất làm việc.......................................... 74 2.3.2. Quan hệ giữa độ trượt với chi phí năng lượng riêng của LHM ............... 76 2.4. Kết luận chương II ............................................................................................ 77
v Chương 3: KHẢO SÁT MÔ HÌNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG KÉO BÁM VÀ ỔN ĐỊNH CỦA LHM CÀY CHẢO. ................. 78 3.1. Kiểm tra mô hình nghiên cứu lý thuyết ........................................................... 79 3.2. Xây dựng đặc tính kéo bám của máy kéo Yanmar F535D trên dốc ngang. ... 81 3.3. Ảnh hưởng của chế độ sử dụng đến khả năng kéo bám và chỉ tiêu làm việc của LHM… .............................................................................................................. 85 3.3.1. Ảnh hưởng của góc dốc đến hệ số cản lăn và hệ số bám dọc cực đại ..... 85 3.3.2. Ảnh hưởng góc dốc và lực cản đến khả năng kéo bám và chỉ tiêu làm việc của LHM .......................................................................................................... 86 3.3.3. Ảnh hưởng của hệ số bám đến các chỉ tiêu làm việc ............................... 87 3.4. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến khả năng kéo bám và các chỉ tiêu làm việc của LHM ................................................................................................... 88 3.4.1. Ảnh hưởng của chiều cao trọng tâm máy kéo .......................................... 88 3.4.2. Ảnh hưởng của bề rộng máy kéo .............................................................. 89 3.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến khả năng ổn định của LHM .......... 90 3.6. Giải pháp nâng cao khả năng kéo bám và ổn định của LHM cày chảo.......... 92 3.7. Khảo sát khả năng kéo bám của LHM trước và sau cải tiến HTDĐ .............. 94 3.8. Kết luận chương 3: ........................................................................................... 98 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................................................... 100 4.1. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm .................................................................100 4.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ...............................................................101 4.3. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm. .............................................................102 4.3.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị đo .......................................................102 4.3.2. Thiết bị thu thập, khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi A/D .....................103 4.3.3. Phần mềm sử dụng trong thí nghiệm ......................................................104 4.3.4. Xác định hệ số cản lăn và hệ số bám của máy kéo .............................106 4.3.5. Xác định phản lực pháp tuyến và góc dốc tức thời ................................108 4.3.6 Xác định lực kéo cày chăm sóc rừng .......................................................111 4.3.7. Xác định gia tốc LHM cày chăm sóc rừng theo phương chuyển động .113 4.3.8. Xác định số vòng quay của bánh xe chủ động và độ trượt LHM ..........114
vi 4.3.9. Phương pháp xác định năng suất và hiệu suất làm việc của LHM ........116 4.4. Tổ chức thí nghiệm .........................................................................................116 4.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................117 4.5.1 Kết quả xác định hệ số cản lăn.................................................................117 4.5.2. Kết quả xác định hệ số bám ....................................................................118 4.5.3. Kết quả xác định phản lực pháp tuyến lên bánh xe máy kéo.................119 4.5.4. Kết quả xác định lực cản cày ..................................................................120 4.5.5. Kết quả thí nghiệm xác định vận tốc, độ trượt, hiệu suất kéo và năng suất của LHM 123 4.5.6. Xây dựng đặc tính kéo bám của HTDĐ cải tiến từ thực nghiệm ..........125 4.5.7. So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với lý thuyết. ........................127 4.6. Kết luận chương 4. ..................................................................................... 129 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ............................................................................... 130 NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 133 PHỤ LỤC .......................................................................................................... 138
vii DANH MỤC CÁC TỪ KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký TT Đơn vị Ý nghĩa hiệu (1) (2) (3) (4) 1 LHM - Liên hợp máy 2 HTDĐ - Hệ thống di động 3 m1 kg Khối lượng máy kéo 4 m2 kg Khối lượng cày chảo 5 g m/s2 Gia tốc trọng trường 6 x m/s2 Gia tốc liên hợp máy 7 G1 N Trọng lượng máy kéo 8 G2 N Trọng lượng cày chảo Phần trọng lượng của máy kéo phân bố trên 9 Gk N bánh xe chủ động 10 Mk Nm Mô men chủ động của cầu sau 11 Me Nm Mô men của động cơ 12 MCe Nm Mô men cản trên trục động cơ 13 M kt Nm Mô men của bánh xe phía trên dốc 14 M kd Nm Mô men của bánh xe phía dưới dốc 15 Mfk Nm Mô men cản lăn 16 Pk N Lực chủ động của cầu sau máy kéo 17 Pf N Lực cản lăn 18 Pkt2 N Lực chủ động của bánh xe phía trên của cầu sau 19 Pkd2 N Lực chủ động của bánh xe phía dưới của cầu sau 20 Pft 1 N Lực cản lăn của bánh xe phía trên của cầu trước
viii Lực cản lăn của bánh xe phía dưới của cầu 21 Pfd1 N trước 22 Pft 2 , N Lực cản lăn của bánh xe phía trên của cầu sau 23 Pfd2 N Lực cản lăn của bánh xe phía dưới của cầu sau 24 Pf1 N Lực cản lăn của cầu trước máy kéo 25 Pf2 N Lực cản lăn của cầu sau máy kéo 26 PC N Lực cản chuyển động của cày 27 m2 x N Lực cản quán tính của cày chảo Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác động 28 Z1 N lên cầu trước máy kéo Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác động 29 Z2 N lên cầu sau máy kéo Phản lực pháp tuyến của mặt đồi lên các bánh 30 Z t N xe phía trên dốc Phản lực pháp tuyến của mặt đồi lên các bánh 31 Zd N xe phía dưới dốc Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía 32 Y1t N trên của cầu trước Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía 33 Y1d N dưới của cầu trước Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía 34 Y2t N trên của cầu sau Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía 35 Y2d N dưới của cầu sau Phản lực ngang của mặt đường lên các bánh xe 36 Yt N phía trên
ix Phản lực ngang của mặt đường lên các bánh xe 37 Yd N phía dưới 38 ZC N Phản lực pháp tuyến của cày 39  Độ Góc dốc ngang mặt đồi Góc ổn định dọc tĩnh theo giới hạn lật của máy 40 t Độ kéo hướng lên dốc Góc ổn định dọc tĩnh theo giới hạn lật của máy 41 ’t Độ kéo hướng xuống dốc 42 1 Độ Góc xoay cầu trước 43  rad Góc chuyển động lệch Góc ổn định giới hạn khi máy kéo di chuyển 44  do Độ trên địa hình mấp mô 45 ne v/ph Tốc độ quay của động cơ 46 nk v/ph Tốc độ quay của vỏ vi sai 47 nkt v/ph Tốc độ quay của bánh xe phía trên dốc 48 nkd v/ph Tốc độ quay của của bánh xe phía dưới dốc; 49 iT - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực 50  - Hệ số bám tổng cộng của bánh xe 51 0 - Hệ số bám khi bánh xe lăn trên đồng bằng 52 x - Hệ số bám theo phương dọc 53 y - Hệ số bám theo phương ngang 54 f - Hệ số cản lăn 55 k - Hệ số kéo 56 KC - Hệ số cản riêng của cày 57 P N Lực bám tổng hợp 58 Px N Lực bám dọc theo phương chuyển động
x 59 Py N Lực bám ngang 60 x % Độ trượt theo phương dọc 61 y % Độ trượt theo phương ngang 62  kt % Độ trượt bánh xe phía trên máy kéo 63  kd % Độ trượt bánh xe phía dưới máy kéo 64 k % Độ trượt của máy kéo 65 Jk kgm2 Mô men quán tính của bánh xe 66 rk m Bán kính của bánh xe chủ động 67  Rad/s Vận tốc góc của bánh xe 68 V km/h Vận tốc tính tiến của trục bánh xe 69 Vlt km/h Vận tốc lý thuyết của liên hợp máy 70 Vtt km/h Vận tốc thực tế của liên hợp máy 71 L m Khoảng cách cầu trước và sau máy kéo 72 hT m Chiều cao móc máy công tác 73 B m Bề rộng cơ sở của máy kéo 74 Bc m Bề rộng làm việc của cày Quãng đường di chuyển của máy kéo theo 75 S m phương x 76 Wh ha/h Năng suất liên hợp máy cày chảo 77 CNe kW/ha Chi phí năng lượng riêng 78 k % Hiệu suất kéo máy kéo
xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Sinh trưởng và phát triển một số rừng trồng chính ở miền Bắc ......... 11 Bảng 1.2 Độ ổn định của máy kéo trên sườn dốc ở miền Bắc............................ 38 Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật của cày chảo chăm sóc rừng trồng ....................... 40 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát xác định chỉ tiêu kéo bám và các chỉ tiêu làm việc của LHM với hệ thống di động cải tiến .............................................................. 96 Bảng 3.2. Giá trị góc giới hạn ổn định của máy kéo với kết cấu mới ................ 98 Bảng 4.1. Giá trị đo xác định hệ số cản lăn của máy kéo Yanmar F535D ....... 118 Bảng 4.2. Giá trị đo xác định hệ số bám của máy kéo Yanmar F535 .............. 119 Bảng 4.3. Giá trị đo phản lực pháp tuyến bánh xe ............................................ 119 Bảng 4.4. Lực cản cày, vận tốc hệ số cản riêng tương ứng với độ cày sâu hc = 0,075 m và hc = 0,1 m ....................................................................................... 122 Bảng 4.5. Chỉ tiêu làm việc của LHM tại ở các độ dốc khác nhau................... 125
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Một số loại máy kéo đất dốc có khung tự cân bằng.............................. 7 Hình 1.2. LHM cày ngầm và LHM cày đĩa tại Autralia ....................................... 8 Hình 1.3. Cày không lật và cày chảo 2 dãy......................................................... 15 Hình 1.4. Đường đặc tính kéo của máy kéo bánh hơi dùng hộp số cơ học ........ 16 Hình 1.5. Sơ đồ xây dựng đường cong trượt máy kéo trên dốc ngang ............... 18 Hình 1.6. Tính chất kéo bám của bộ phận di động ............................................. 18 Hình 1.7 Mô hình toán học ba chiều của máy kéo đi qua chướng ngại vật trên sườn dốc .............................................................................................................. 21 Hình 1.8. Quan hệ ứng suất tiếp  và biến dạng dọc j của đất nền ..................... 23 Hình 1. 9. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên máy kéo khi đứng trên dốc ......... 26 Hình 1.10. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên LHM khi di chuyển lên dốc ...... 28 Hình 1.11. Sơ đồ LHM kéo bánh với cày treo khi di chuyển trên dốc ............... 29 Hình 1.12. Sơ đồ máy kéo bị lật khi bánh chủ động bị nêm chặt ....................... 31 Hình 1.13. Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo khi đứng yên trên dốc ngang. ........ 32 Hình 1.14. Mô hình tính ổn định trượt ngang của máy kéo ................................ 33 Hình 1.15. Sơ đồ máy kéo khi một bánh rơi đột ngột xuống rãnh. .................... 35 Hình 1.16. Sơ đồ xác định góc nghiêng giới hạn khi máy kéo quay vòng lên dốc..35 Hình 2.1. Sơ đồ khối của mô hình LHM cày chảo chăm sóc rừng ..................... 45 Hình 2.2. Hình ảnh cày chảo 2 dãy và máy kéo Yanmar F535D ....................... 47 Hình 2.3. Mô hình hóa cày chảo ......................................................................... 47 Hình 2.4. Mô hình bánh xe chuyển động lệch trên đường đồng mức ................ 49 Hình 2.5. Mô hình máy kéo chuyển động ngang dốc theo đường đồng mức ..... 50 Hình 2.6. Mô hình máy kéo chuyển động ổn định thẳng trên dốc ngang theo đường đồng mức.................................................................................................. 52 Hình 2.7. Quan hệ giữa hệ số cản lăn và góc dốc ngang .................................... 54 Hình 2.8. Mô hình mô tả động lực học LHM cày chảo trên dốc ngang ............. 55 Hình 2.9. Mô hình các lực tác dụng lên máy kéo khi cày ở thế bơi ................... 56 Hình 2. 10. Mô hình không gian mô tả động lực học LHM cày chảo làm việc trên dốc ngang ..................................................................................................... 57 Hình 2.11. Mô hình tổng quát LHM cày chảo làm việc trên dốc ngang ............ 58
xiii Hình 2. 12. Đường đặc tính ngoài động cơ F535D ............................................. 60 Hình 2.13. Sơ đồ truyền lực của máy kéo 4x2 .................................................... 61 Hình 2.14. Sơ đồ truyền lực máy kéo tương đương............................................ 62 Hình 2.15. Mô hình bánh xe chủ động trên dốc ngang ....................................... 63 Hình 2.16. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám dọc và bám ngang của bánh xe ....... 66 Hình 2.17. Mô hình xây dựng đặc tính bám của bánh xe trên dốc ngang .......... 66 Hình 2.18. Đặc tính bám theo phương y của bánh xe trên dốc ngang ................ 67 Hình 2.19. Đặc tính bám của bánh xe theo phương đồng mức........................... 68 Hình 2.20. Mô hình xác định lực kéo của bánh xe ............................................. 69 Hình 2.21. Sơ đồ phân bố mô men và vận tốc trên các bánh xe khi sử dụng cơ cấu vi sai .............................................................................................................. 70 Hình 2.22. Sơ đồ phân bố mô men và vận tốc trên các bánh xe khi khoá vi sai 71 Hình 2.23. Đường đặc tính ngoài của động cơ ................................................... 76 Hình 3.1. Đặc tính lực cản cày ............................................................................ 79 Hình 3.2. Phản lực pháp tuyến lên bánh xe cầu sau............................................ 80 Hình 3.3. Độ trượt và hiệu suất kéo của máy kéo ............................................... 80 Hình 3.4. Vận tốc LHM ...................................................................................... 81 Hình 3.5. Đường đặc tính kéo của máy kéo Yanmar F535D trên đồng bằng .... 82 Hình 3.6. Đường đặc tính kéo của máy kéo Yanmar F535D trên góc dốc 100. …. 83 Hình 3.7. Ảnh hưởng của góc dốc, hệ số bám đến độ trượt và hiệu suất kéo .... 84 Hình 3.8. Ảnh hưởng góc dốc đến hiệu suất kéo cực đại ................................... 84 Hình 3.9. Ảnh hưởng góc dốc đến hệ số cản lăn và hệ số bám dọc ................... 85 Hình 3.10. Ảnh hưởng góc dốc và lực cản cày đến tính chất kéo bám và chỉ tiêu làm việc ............................................................................................................... 86 Hình 3.11. Ảnh hưởng của hệ số bám đến độ trượt, hiệu suất kéo và các chỉ tiêu làm việc với các góc dốc khác nhau .................................................................... 87 Hình 3.12. Ảnh hưởng của chiều cao trọng tâm đến tính năng kéo bám và chỉ tiêu làm việc LHM với các góc dốc khác nhau ................................................... 88 Hình 3.13. Ảnh hưởng của bề rộng máy kéo đến tính năng kéo bám và chỉ tiêu làm việc LHM với các góc dốc khác nhau .......................................................... 89 Hình 3.14. Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo Yanmar F535D trên dốc ngang ..... 91
xiv Hình 3.15. Các chỉ tiêu làm việc của máy kéo nguyên bản và cải tiến ở cấp lực kéo Pc = 4000N, ở góc dốc khác nhau ................................................................ 95 Hình 4. 1. Sơ đồ lắp đặt các cảm biến trong thí nghiệm ................................... 101 Hình 4. 2. Thiết bị đo đa kênh Spider 8 ............................................................ 103 Hình 4. 3. Sơ đồ kết nối cảm biến với thiết bị đo đa kênh Spider 8, máy tính có sử dụng phần mềm Catman ............................................................................... 105 Hình 4.4. Hình ảnh lắp đặt hệ thống đo trên LHM khi thí nghiệm................... 106 Hình 4. 5. Cảm biến đo lực TBX-4T ................................................................ 106 Hình 4. 6. Hình ảnh thí nghiệm xác định hệ số bám và hệ số cản lăn .............. 107 Hình 4.7. Hình ảnh dán tenzô điện trở trên cầu trước máy kéo ........................ 109 Hình 4.8. Hình ảnh hiệu chuẩn khâu đo phản lực pháp tuyến .......................... 109 Hình 4. 9. Sơ đồ xác định phản lực pháp tuyến lên máy kéo trên dốc ngang... 110 Hình 4.10. Cảm biến đo lực kéo TBX- 1T........................................................ 111 Hình 4.11. Hình ảnh lắp đầu đo lực để xác định lực kéo cày ........................... 112 Hình 4.12. Cảm biến Kisler............................................................................... 113 Hình 4.13. Hình ảnh lắp cảm biến đo số vòng quay bánh xe chủ động............ 114 Hình 4.14. Sơ đồ động học của cơ cấu vi sai cầu sau ....................................... 115 Hình 4.15. Giá trị lực kéo thí nghiệm xác định hệ số cản lăn ........................... 117 Hình 4.16. Giá trị lực kéo thí nghiệm hệ số bám .............................................. 118 Hình 4.17. Đồ thị biểu diễn giá trị phản lực pháp tuyến trên bánh xe .............. 120 Hình 4.18. Đồ thị biểu diễn giá trị lực cản cày ở độ sâu hc = 0,075m .............. 121 Hình 4.19. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hệ số cản cày với vận tốc ứng với độ cày sâu ............................................................................................................... 123 Hình 4.20. Đồ thị biểu diễn giá trị vận tốc của bánh xe chủ động và vận tốc thực tế của LHM........................................................................................................ 124 Hình 4.21. Đặc tính kéo bám của hệ thống di động .......................................... 126 Hình 4.22. Quan hệ giữa hiệu suất kéo và độ trượt bằng thực nghiệm ............ 126 Hình 4.23. Đồ thị biểu diễn vận tốc, độ trượt và hiệu suất kéo của LHM tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm ................................................................... 127 Hình 4.24. Đồ thị biểu diễn độ sai khác của vận tốc của LHM tính toán theo lý thuyết và đo thực nghiệm .................................................................................. 128
1 MỞ ĐẦU Rừng trồng sản xuất ở nước ta có diện tích lớn, hiện nay là trên 4,3 triệu ha [1], trong đó diện tích đất trồng rừng thâm canh có thể cơ giới hóa được là trên 1,5 triệu ha. Hàng năm, có hơn 200 nghìn ha rừng trồng được khai thác và trồng lại. Những năm qua, rừng trồng sản xuất đã cung cấp trên 70% nguyên liệu cho công nghiệp chế biến, đưa kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ của Việt Nam đạt trên 11 tỷ USD năm 2019. Trong trồng rừng, các khâu làm đất trồng, chăm sóc rừng là những việc nặng nhọc, tốn nhiều năng lượng và bằng lao động thủ công khó đáp ứng được các yêu cầu của sản xuất. Áp dụng kỹ thuật cơ giới hóa làm đất trồng, chăm sóc rừng không chỉ thay thế lao động thủ công mà còn là yếu tố quan trọng để cải tạo đất, thâm canh nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả trồng rừng. Tuy nhiên, hiện nay việc áp dụng cơ giới hóa các khâu sản xuất trong lâm nghiệp còn nhiều hạn chế, một trong những nguyên nhân đó là thiếu thiết bị cơ giới có khả năng làm việc hiệu quả trên đất dốc của lâm nghiệp. Hệ thống máy kéo đang được sử dụng trong nông lâm nghiệp rất đa dạng, phong phú, các nghiên cứu đã nhận thấy: Máy kéo xích có có tính năng kéo bám, độ ổn định tốt, chỉ phù hợp cho các công việc cần lực kéo lớn; Máy kéo bánh hơi có tính cơ động cao, có khả năng liên hợp và trích truyền công suất đa dạng cho các máy công tác, có thể di chuyển giữa các hàng cây để thực hiện các công việc chăm sóc, phòng trừ sâu bệnh cho rừng trồng.., nhưng khả năng kéo bám và ổn định bị hạn chế khi làm việc trên đất dốc. Chính vì vậy, việc nghiên cứu động lực học nói chung kéo bám và ổn định của liên hợp máy (LHM) nói riêng đã được các tác giả thực hiện tại nhiều nước phát triển trên thế giới và ở Việt Nam. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của quá trình làm việc của LHM, đặc biệt trên địa hình đất sản xuất lâm nghiệp ở Việt Nam có độ dốc lớn, chia cắt, nên đến nay còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu
2 để hoàn thiện. Các nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ổn định của ô tô, máy kéo sử dụng trong vận chuyển lâm sản và hàng hóa đi trên đường. Nghiên cứu về LHM kéo bánh hơi canh tác trên đất dốc mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế, chế tạo một máy canh tác và đưa vào sử dụng, các LHM này chỉ làm việc hiệu quả trên địa hình tương đối bằng phẳng, độ dốc dưới 100. Chưa có nghiên cứu sâu về động học, động lực học của LHM kéo bánh hơi thực hiện các khâu canh tác nói chung và làm đất chăm sóc rừng nói riêng trên đất dốc phù hợp với điều kiện sản xuất lâm nghiệp ở Việt Nam. Để nâng cao hiệu quả sử dụng và an toàn cho liên hợp máy kéo bánh hơi làm việc trên đất lâm nghiệp, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng kéo bám và ổn định của liên hợp máy kéo bánh hơi với cày chăm sóc rừng làm việc trên đất dốc”. Mục tiêu nghiên cứu Xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố về kết cấu và chế độ sử dụng đến khả năng kéo bám, ổn định, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của liên hợp máy kéo bánh hơi với cày chảo chăm sóc rừng trên đất dốc lâm nghiệp. Đề xuất được giải pháp nâng cao khả năng kéo bám và ổn định của LHM cày chảo chăm sóc rừng khi làm việc trên đất dốc. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là liên hợp máy kéo bánh hơi Yanmar F535D có công suất 53 mã lực với dàn cày chảo 2 dãy thực hiện công việc làm đất chăm sóc rừng trồng trên đất dốc lâm nghiệp ở Việt Nam. Nhiệm vụ của luận án - Nghiên cứu tổng quan về tính năng kéo bám và ổn định của các LHM canh tác trên đất dốc nói chung và làm đất chăm sóc rừng nói riêng. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về khả năng kéo bám và ổn định của LHM kéo bánh hơi với cày chảo chăm sóc rừng trên đất dốc.
3 - Xây dựng mô hình nghiên cứu lý thuyết về động lực học của LHM cày chảo chăm sóc rừng khi làm việc trên dốc ngang. Mô phỏng mô hình trên phần mềm máy tính để khảo sát xác định ảnh hưởng các yếu tố về kết cấu và chế độ sử dụng đến khả năng kéo bám và ổn định của LHM cày chăm sóc rừng trồng trên đất dốc. - Đề xuất giải pháp nâng cao khả năng kéo bám và ổn định của LHM khi làm việc trên đất dốc. - Nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số hệ số thực nghiệm, thông số đầu vào cho mô hình lý thuyết; kiểm chứng mô hình nghiên cứu lý thuyết; xác định khả năng kéo bám, ổn định và một số chỉ tiêu làm việc của LHM trong điều kiện thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về khả năng kéo bám và ổn định đã xây dựng được mô hình động lực học LHM cày chăm sóc rừng trên đất dốc của lâm nghiệp. Mô hình đã mô tả khá đầy đủ các yếu tố tác động của của hệ thống máy kéo, máy cày và điều kiện sử dụng và được mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink, cho phép khảo sát xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và điều kiện sử dụng làm cơ sở đánh giá khả năng làm việc, hiệu quả sử dụng LHM. Kết quả khảo sát mô hình đã xác định được ảnh hưởng của các yếu tố: bề rộng làm việc (Bc), chiều cao trọng tâm (hT), hệ số bám (φx), góc dốc (β), cấp lực kéo (Pc) đến khả năng kéo bám, ổn định và các chỉ tiêu làm việc của LHM, trên cơ sở đó đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu nâng cao hiệu quả sử dụng. Kết quả này là cơ sở khoa học quan trọng cho việc đề xuất và xây dựng mô hình LHM canh tác nói chung và LHM cày chăm sóc rừng nói riêng làm việc hiệu quả trên đất dốc lâm nghiệp. Giải pháp cải tiến hệ thống di động để nâng cao khả năng kéo bám, ổn định và do đó nâng cao được hiệu quả làm việc của LHM. Đây là cơ sở cho
4 việc tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống di động của máy kéo bánh hơi làm việc trên đất dốc lâm nghiệp. Các hệ số và quan hệ thực nghiệm được xác định trong điều kiện địa hình, đất đai của lâm nghiệp như: hệ số cản lăn (ƒ), hệ số bám theo phương chuyển động (φx), hệ số lực cản riêng của cày chảo chăm sóc rừng (Kc), đặc tính kéo bám của hệ thống di động thiết kế cải tiến bằng thực nghiệm, bổ sung cho các công thức thực nghiệm trong tính toán thiết kế cũng như đánh giá khả năng làm việc của LHM. Những đóng góp mới của luận án Mô hình động lực học LHM cày chăm sóc rừng được mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink sử dụng thông số đầu vào là lực cản cày PC(t) là hàm biến đổi theo thời gian thu được từ thực nghiệm, do đó kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và sử dụng đến các chỉ tiêu kéo bám và làm việc của LHM sát với điều kiện thực tế về địa hình và tính chất đất đai. Xây dựng được mô hình ổn định hướng của máy kéo bánh khi làm việc trên dốc ngang (trên cơ sở phân tích các mối quan hệ vật lý liên quan đến kết cấu máy kéo, góc dốc ngang địa hình tới khả năng ổn định hướng chuyển động), cho phép xác định được góc xoay bánh lái của cầu trước để duy trì hướng chuyển động thẳng trên dốc ngang. Đây là cơ sở để nghiên cứu thiết lập chương trình điều khiển tự động máy kéo bánh làm việc trên dốc ngang. Từ các phương trình tính toán và kết quả khảo sát mô hình mô phỏng đã định hướng xác định một số thông số liên quan bằng thực nghiệm như: xác định góc dốc tức thời β(t) thông qua giá trị phản lực pháp tuyến giữa bánh xe phía trên và phía dưới trong quá trình thí nghiệm mà không cần phải có hệ thống đo góc dốc trực tiếp; xây dựng được đường đặc tính kéo bám của hệ thống di động cải tiến của máy kéo; xác định hệ số lực cản riêng của cày chảo đối với đất lâm nghiệp tại vùng Đông Bắc Bộ.