Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu truyền động vô cấp sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh trên máy kéo nông nghiệp

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHẠM DUY SÚY

NGHIÊN CỨU TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP SỬ DỤNG

HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG SUẤT THỦY TĨNH

TRÊN MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHẠM DUY SÚY

NGHIÊN CỨU TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP SỬ DỤNG

HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG SUẤT THỦY TĨNH

TRÊN MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP

Ngành:

Kỹ thuật Cơ khí

Mã số:

9 52 01 03

Người hướng dẫn:

PGS.TS. Bùi Hải Triều

TS. Trịnh Minh Hoàng

HÀ NỘI - 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên

cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ

lấy bất kỳ học vị nào.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn,

các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2022

Tác giả luận án

Phạm Duy Súy

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự

hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng

nghiệp và gia đình.

Nhân dịp hoàn thành luận án, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn

sâu sắc PGS.TS. Bùi Hải Triều và TS. Trịnh Minh Hoàng đã tận tình hướng dẫn, dành

nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực

hiện đề tài.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ

môn Động lực, Khoa Cơ điện - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi

trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Viện Hàn lâm khoa học

Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều

kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận án./.

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2022

Tác giả luận án

Phạm Duy Súy

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan ..................................................................................................................... i

Lời cảm ơn ........................................................................................................................ ii

Mục lục ............................................................................................................................ iii

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt .................................................................................... vi

Danh mục bảng .............................................................................................................. viii

Danh mục hình ................................................................................................................. ix

Trích yếu luận án ............................................................................................................ xii

Thesis abstrac................................................................................................................. xiv

Phần 1. Mở đầu ............................................................................................................... 1

1.1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1

1.2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 2

1.2.1. Mục tiêu chung ...................................................................................................... 2

1.2.2. Mục tiêu cụ thể ...................................................................................................... 2

1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................... 2

1.3.1. Phạm vi không gian ............................................................................................... 2

1.3.2. Phạm vi thời gian ................................................................................................... 3

1.3.3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 3

1.4. Những kết quả mới của luận án ............................................................................. 3

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................... 4

1.5.1. Ý nghĩa khoa học của luận án ................................................................................ 4

1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án ................................................................................ 4

Phần 2. Tổng quan vấn đề nghiên cứu .......................................................................... 5

2.1. Tổng quan về máy kéo nông nghiệp ở việt nam .................................................... 5

2.1.1. Tình hình cơ giới hóa và sử dụng máy kéo nông nghiệp ....................................... 5

2.1.2. Đặc điểm kết cấu hệ thống truyền lực trên máy kéo đang sử dụng ở Việt Nam ...... 6

2.2. Tổng quan về hộp số máy kéo nông nghiệp .......................................................... 8

2.3. Tình hình nghiên cứu phát triển truyền động vô cấp trên máy kéo nông nghiệp ..... 9

2.3.1. Truyền động vô cấp cơ khí .................................................................................... 9

2.3.2. Truyền động thủy tĩnh .......................................................................................... 13

iii

2.3.3. Mạch điều khiển cơ bản của hộp số thủy tĩnh ..................................................... 13

2.3.4. Điều khiển hộp số thủy tĩnh ................................................................................. 15

2.3.5. Hộp số nhập dòng công suất ................................................................................ 16

2.3.6. Truyền động phân nhánh công suất thủy tĩnh ...................................................... 17

2.3.7. Nhận xét chung .................................................................................................... 26

2.4. Nội dung của luận án ........................................................................................... 26

Tóm tắt phần 2 ................................................................................................................ 28

Phần 3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 29

3.1. Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kỹ thuật ................................ 29

3.1.1. Khái niệm chung về phương pháp ....................................................................... 29

3.1.2. Công cụ mô phỏng ............................................................................................... 31

3.2. Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng các phần tử thủy lực ............................ 34

3.2.1. Phương pháp mô tả tính chất cản dòng, dung kháng và cảm kháng thủy lực

trong mạch truyền động thủy tĩnh ........................................................................ 34

3.2.2. Phương pháp mô phỏng các mạch truyền động tĩnh cơ bản ................................ 35

3.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ................................................................ 38

3.3.1. Phương pháp phân tích hiệu suất hộp số bằng thực nghiệm ................................ 38

3.3.2. Phương pháp thí nghiệm động lực học hộp số ..................................................... 39

3.3.3. Phương pháp tạo tải cho thí nghiệm hộp số ......................................................... 40

3.3.4. Phương pháp đo và xử lý số liệu thực nghiệm..................................................... 41

Tóm tắt phần 3 ................................................................................................................ 42

Phần 4. Kết quả nghiên cứu ......................................................................................... 43

4.1. Nghiên cứu hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh sử dụng cho máy kéo

nông nghiệp .......................................................................................................... 43

4.1.1. Lựa chọn cấu hình hộp số phân nhánh công suất và sơ đồ truyền động máy kéo .... 43

4.1.2. Nghiên cứu mô phỏng hộp số phân nhánh công suất .......................................... 56

4.1.3. Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng hoạt động và hiệu suất của hộp

số phân nhánh công suất ...................................................................................... 61

4.1.4. Kết luận ................................................................................................................ 74

4.2. Nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo nông nghiệp sử

dụng hộp số phân nhánh công suất ...................................................................... 74

4.2.1. Xác định kết cấu hệ thống truyền lực của máy kéo sử dụng hộp số phân

nhánh công suất ................................................................................................... 74

4.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất ... 85

4.2.3. Khảo sát một số chế độ động lực học và điều khiển của máy kéo sử dụng

hộp số phân nhánh công suất ............................................................................... 86

4.2.4. Dự kiến hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền để nâng cao hiệu suất sử

dụng công suất động cơ ..................................................................................... 101

Tóm tắt phần 4 .............................................................................................................. 104

Phần 5. Kết luận và kiến nghị .................................................................................... 105

5.1. Kết luận .............................................................................................................. 105

5.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 106

Danh mục các công trình công bố có liên quan đến luận án ................................. 107

Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... 108

Phụ lục ......................................................................................................................... 112

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Hệ số ma sát cản nhớt của bánh răng

Nm.s

Hệ số cản nhớt của bơm

Nm.s

Hệ số cản nhớt của động cơ

Nm.s

Mô men quán tính của khối lượng quay quy dẫn về trục bơm

kg.m2

Mô men quán tính quy dẫn của tất cả phần chuyển động của

kg.m2

xe đến trục thứ cấp hộp số (trục động cơ thủy lực)

Hệ số nén của dầu thủy lực

mm2/N



Tỷ số truyền lực chính

Số răng bánh răng bao

Số răng bánh răng mặt trời

Thể tích dầu tích lũy trong nhánh cao cáp của bộ biến tốc

cm3

thủy lực

Thể tích dầu tích lũy trong nhánh thấp cáp của bộ biến tốc

cm3

thủy lực

Thể tích riêng cực đại của bơm trong bộ biến tốc thủy lực

cm3/vòng

VPmax

Thể tích riêng cực đại của động cơ trong bộ biến tốc thủy lực

cm3/vòng

VMmax

Tỷ số truyền cặp bánh răng dẫn động biến tốc thủy lực

Tỷ số truyền cặp bánh răng nhập dòng biến tốc thủy lực

Tỷ số truyền phân tầng

Tỷ số truyền vi sai

ivs

Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng

Gia tốc trọng trường

m/s2

Bán kính bánh xe máy kéo

Khối lượng máy kéo

Tải trọng thẳng đứng trên bánh xe chủ động

Cảm biến đo số vòng quay

Cảm biến đo mô men

Cảm biến đo số vòng quay

Cảm biến đo áp suất

Cảm biến đo lưu lượng

Card A/D Card chuyển đổi A/D

Mô men trụcđộng cơ

Số vòng quay trục động cơ

vòng/phút

Số vòng quay trục ra hộp số

vòng/phút

Tỷ số truyền của hộp số

Tỷ số truyền của bộ biến tốc thủy lực

Tỷ số truyền của cặp bánh răng dẫn động biến tốc

Tỷ số truyền của cặp bánh răng nhập dòng

Hiệu suất HTTL

T

Hiệu suất hệ thống di động

L

Hiệu suất HSPNCS

HS

Danh mục các chữ viết tắt

Chữ viết tắt

Nghĩa tiếng Việt

NCS

Nghiên cứu sinh

HSPNCS

Hộp số phân nhánh công suất

HTTL

Hệ thống truyền lực

VEAM

Tổng công ty Máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam

PTHH

Phần tử hữu hạn

CAE

Viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Computer Aided Engineering. Nghĩa

là phân tích công nghệ với sự trợ giúp của máy tính

XHCN

Xã hội chủ nghĩa

THACO

Công ty Cổ phần ô tô Trường Hải

CRO

Carier - Ring - Output

SRO

Sun - Ring - Output

TTS

Trục trích công suất

OOL

Optimal operation line

ECU

Electronic Control Unit

vii

DANH MỤC BẢNG

Tên bảng

Trang

TT

Các khối chức năng thông dụng được sử dụng trong mô phỏng số ................. 33

3.1.

Biểu diễn sơ đồ khối các phần tử thủy lực cơ bản ............................................ 35

3.2.

Tổng hợp cấu hình hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục vào ....... 44

4.1.

Tổng hợp cấu hình hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục ra .......... 45

4.2.

Tổng hợp các chế độ phân nhánh công suất theo tỷ số truyền của 6

4.3.

phương án nhập dòng tại trục vào .................................................................... 48

4.4.

Tổng hợp các chế độ phân nhánh công suất theo tỷ số truyền của 6

phương án nhập dòng tại trục ra ..................................................................... 49

Tỷ số truyền cực đại và hiệu suất hộp số phân nhánh công suất ..................... 53

4.5.

Thiết bị đo ghi và xử lý số liệu thí nghiệm ....................................................... 63

4.6.

Sai số giữa kết quả đo thí nghiệm và tính toán lý thuyết .................................. 68

4.7.

Thông số kỹ thuật động cơ YM-3T84 .............................................................. 80

4.8.

Thông số kỹ thuật sử dụng trong mô phỏng hoạt động máy kéo ..................... 87

4.9.

viii

DANH MỤC HÌNH

TT

Tên hình

Trang

2.1.

Sơ đồ truyền lực của máy kéo đẩy tay..................................................................... 7

2.2.

So sánh định tính về tính chất hiệu suất truyền lực của máy kéo khi trang

bị các hộp số khác nhau ........................................................................................... 8

2.3.

Sơ đồ hệ thống truyền động ZF-P.IV.ASL8Reimers ............................................ 10

2.4.

Sơ đồ hệ thống truyền động vô cấp của ĐH Munich ............................................ 11

2.5.

Sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ ở Việt Nam .................... 12

2.6. Mô hình điều khiển tự động tỷ số truyền sử dụng van đóng ngắt ........................ 12

2.7.

Sơ đồ mạch thủy lực của hộp số thủy tĩnh ............................................................ 13

2.8.

Các phương án mạch truyền động thủy lực cho máy kéo và xe chuyên dụng ...... 14

2.9.

Điều khiển điện tử trên xe chuyên dụng trang bị hộp số thủy tĩnh ....................... 16

2.10. Hệ thống truyền động của máy xúc lật .................................................................. 16

2.11. Hộp số thủy tĩnh truyền động sát nhập dòng công suất ........................................ 17

2.12. Nguyên lý phân nhánh công suất ........................................................................... 18

2.13. Sơ đồ hộp số HM - 8 .............................................................................................. 20

2.14. Hộp số phân nhánh công suất trên máy kéo Fendt ............................................... 22

2.15. Phân bổ công suất theo vận tốc chuyển động ....................................................... 23

2.16. Sơ đồ hộp số JD AutoPowr ................................................................................... 25

3.1.

Các phương pháp mô phỏng và thí nghiệm .......................................................... 30

3.2.

Sơ đồ truyền động thủy tĩnh mạch hở ................................................................... 36

3.3.

Sơ đồ khối mô phỏng bộ truyền thủy tĩnh mạch hở .............................................. 36

3.4.

Sơ đồ mạch kín truyền động và điều khiển thủy tĩnh ........................................... 37

3.5.

Sơ đồ khối mô phỏng mạch điều khiển truyền động thủy tĩnh dạng mạch kín........ 38

3.6.

Sơ đồ mạch thủy lực bệ thử công suất thủy tĩnh ................................................... 40

3.7.

Sơ đồ kết nối hệ thống đo và xử lý số liệu ............................................................ 41

4.1.

Sơ đồ kết cấu hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục vào .................... 43

4.2.

Sơ đồ tổng quát hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục ra ................... 46

4.3.

Hiệu suất phần tử thủy lực phụ thuộc số vòng quay và áp suất hoạt động .......... 51

4.4.

Đặc tính hiệu suất của bơm hướng trục ................................................................. 51

4.5.

Sơ đồ hộp số phân nhánh công suất lựa chọn theo cấu hình CRO ....................... 54

4.6.

Đặc tính tốc độ của động cơ diesel truyền lực (định tính) .................................... 57

4.7. Mô hình mô phỏng hộp số phân nhánh công suất ................................................ 58

4.8.

Sơ đồ thuật toán mô phỏng hộp số phân nhánh công suất .................................... 60

4.9.

Sơ đồ truyền động, điều khiển đo thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất ....... 62

4.10. Bệ thử công suất để thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất ............................. 63

4.11. Worksheet sử dụng trong thí nghiệm .................................................................... 64

4.12. Kết quả thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền .............................................................. 67

4.13. Kết quả thí nghiệm thay đổi tải trọng theo mức nhanh ......................................... 69

4.14. Kết quả thí nghiệm thay đổi tải trọng theo mức chậm .......................................... 70

4.15. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô men

động cơ (Me), số vòng quay động cơ (ne) và thể tích VM ................................... 71

4.16. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô men

động cơ (Me), số vòng quay động cơ (ne) và tỷ số truyền bộ biến tốc thủy

lực (iH) ................................................................................................................... 72

4.17. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô men

động cơ (Me), số vòng quay động cơ (ne) và tỷ số truyền hộp số (iG) ................ 72

4.18. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô men

động cơ (Me), khi tỷ số truyền hộp số (iG) thay đổi............................................. 73

4.19. Sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng của máy kéo nông nghiệp sử dụng

hộp số vô cấp phân tầng ......................................................................................... 75

4.20. Sơ đồ truyền công suất của máy kéo nông nghiệp ................................................ 75

4.21. Đặc tính đa chiều của động cơ Diesel sử dụng trục trích công suất ..................... 78

4.22. Đặc tính ngoài của động cơ YM-3T84 trên máy kéo YANMA 3000.................. 79

4.23. Quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp số phân nhánh công suất (iG) với tỷ số

truyền của bộ biến tốc thủy lực (iH) ...................................................................... 80

4.24. Quan hệ giữa hiệu suất L, hệ số kéo K và hệ số truyền lực dọc x với độ

trượt bánh xe  ....................................................................................................... 82

4.25. Sơ đồ khối tính toán khả năng lựa chọn điểm làm việc tối ưu của liên

hợp máy ................................................................................................................. 83

4.26. Mô hình động lực học truyền động của máy kéo sử dụng hộp số phân

nhánh công suất ...................................................................................................... 85

4.27. Sơ đồ mô phỏng động lực học chuyển động dọc của máy kéo sử dụng hộp

số phân nhánh công suất ........................................................................................ 86

4.28. Quy trình thay đổi thể tích VP trong quá trình khởi hành .................................... 89

4.29. Mô men (a) và số vòng quay động cơ (b) trong quá trình khởi hành máy

kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất ............................................................ 89

4.30. Số vòng quay trục ra hộp số (a) và vận tốc máy kéo (b) trong quá trình

khởi hành ................................................................................................................ 89

4.31. Quy trình thay đổi thể tích VM trong quá trình chuyển số ................................... 91

4.32. Diễn biến các thông số động lực học trong quá trình chuyển số (Fk = 4905 N) ...... 92

4.33. Diễn biến các thông số động lực học trong quá trình chuyển số (Fk = 6867 N) ...... 93

4.34. Quy trình thay đổi lực kéo FK trong quá trình chuyển số .................................... 94

4.35. Diễn biến các thông số động lực học chuyển động của máy kéo khi thay

đổi lực kéo (VM = VMmax = 37 cm3/vòng) ........................................................ 95

4.36. Diễn biến các thông số động lực học chuyển động của máy kéo khi thay

đổi lực kéo (VM = 4 cm3/vòng) ............................................................................ 96

4.37. Điểm làm việc của mô men động cơ (Me), số vòng quay động cơ (ne) và

hiệu suất hệ thống truyền lực (TC) theo lực kéo FK và thể tích VM ................ 98

4.38. Điểm làm việc của mô men động cơ (Me) và số vòng quay động cơ (ne)

theo lực kéo FK và tỷ số truyền bộ biến tốc thủy lực (iH) ................................... 99

4.39. Điểm làm việc của mô men động cơ (Me) và số vòng quay động cơ (ne)

theo lực kéo FK và tỷ số truyền hộp số (iG) ......................................................... 99

4.40. Thể tích làm việc cần điều khiển của động cơ của bộ biến tốc thay đổi

theo lực kéo ......................................................................................................... 100

4.41. Tỷ số truyền cần điều khiển của bộ biến tốc thủy lực (iH) và tỷ số truyền

cần điều khiển của hộp số phân nhánh công suất (iG) thay đổi theo lực kéo ... 100

4.42. Điểm làm việc (mô men và số vòng quay) của động cơ thay đổi theo lực

kéo (VM = VM,opt) ............................................................................................ 101

4.43. Mô men và vận tốc tại bánh xe thay đổi theo lực kéo (VM = VM,opt) ............ 101

4.44. Sơ đồ, hệ thống điều khiển điện tử để điều khiển chuyển động của máy

kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất ......................................................... 102

TRÍCH YẾU LUẬN ÁN

Tên tác giả: Phạm Duy Súy

Tên Luận án: Nghiên cứu truyền động vô cấp sử dụng hộp số phân nhánh công suất

thủy tĩnh trên máy kéo nông nghiệp

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 9 52 01 03

Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Mục đích nghiên cứu

Xác định một số tính chất truyền động và điều khiển của hộp số phân nhánh công

suất (HSPNCS) thủy tĩnh nhằm xây dựng cơ sở khoa học để phát triển hệ thống truyền

động vô cấp trên máy kéo nông nghiệp có công suất 30 đến 50 mã lực.

Phương pháp nghiên cứu

- Lý thuyết: Nghiên cứu lựa chọn cấu hình và định cỡ cho các phần tử của

HSPNCS phù hợp với máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực; Phân tích,

đánh giá chất lượng động lực học và điều khiển của HSPNCS trong phòng thí nghiệm

và khi lắp trên máy kéo nông nghiệp và đề xuất một số giải pháp điều khiển tỷ số truyền

HSPNCS.

- Thực nghiệm: Thí nghiệm kiểm chứng độ tin cậy của mô hình mô phỏng, đánh

giá hiệu suất cũng như khả năng tái tạo nguyên lý hoạt động của HSPNCS bằng bệ thử

hộp số do NCS thiết kế, chế tạo.

Kết quả chính và kết luận

* Những vấn đề khoa học và kĩ thuật đã được giải quyết

- Lựa chọn được cấu hình và xác định được các thông số kết cấu của HSPNCS phù hợp

sử dụng cho máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực.

- Mô phỏng được máy kéo nông nghiệp sử dụng HSPNCS, mô hình có thể sử

dụng cho nghiên cứu các tính chất động lực học và điều khiển hộp số tương ứng với các

chế độ làm việc điển hình của máy kéo. Luận án đã xác định được quy luật và vùng điều

khiển tỷ số truyền HSPNCS tương ứng với chiến lược điều khiển tối ưu theo công suất

cực đại khi máy kéo làm việc với tải trọng kéo lớn và không ổn định. Từ các kết quả

nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền để nâng cao hiệu

suất động cơ và các phần tử truyền lực.

- Bệ thử hộp số do NCS thiết kế, chế tạo cùng phương pháp thí nghiệm hợp lý,

phù hợp với điều kiện trong nước để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình mô phỏng

cũng như đánh giá được hiệu suất của HSPNCS.

xii

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Các đề xuất về cấu hình cho hộp số và máy kéo được lựa chọn trên các kết cấu

sẵn có phù hợp với máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực, cùng với các

công nghệ chế tạo tham khảo hiện đang áp dụng tại Việt Nam, cho phép thử nghiệm để

tiến tới thiết kế và chế tạo thử nghiệm sản phẩm thực tế.

- Xây dựng được phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để nghiên

cứu các tính chất động học, động lực học và điều khiển, cũng như để nghiên cứu đánh

giá hiệu suất của HSPNCS trên máy kéo nông nghiệp. Thí nghiệm kiểm chứng độ tin

cậy của mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu suất hộp số được thực hiện trong điều kiện

thực với các thiết bị hiện có tại Việt Nam. Điều này cho phép gợi mở các hướng nghiên

cứu lý thuyết và thực nghiệm áp dụng phát triển cho sản phẩm nội địa hóa với điều kiện

hiện có.

- Xác định được quy luật và vùng điều khiển tỷ số truyền HSPNCS tương ứng với

chiến lược điều khiển tối ưu theo công suất cực đại của động cơ làm cơ sở cho hệ thống

điều khiển tỷ số truyền để nâng cao hiệu suất của động cơ và các phần tử truyền lực trên

máy kéo nông nghiệp.

- Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất máy

kéo tại Việt Nam trong quá trình nghiên cứu phát triển truyền lực vô cấp cho máy kéo

nông nghiệp.

xiii

THESIS ABSTRACT

PhD candidate: Pham Duy Suy

Thesis title: Study on continuously variable transmission using hydrostatic power split transmission on agricultural tractors

Major: Mechanical Engineering

Code: 9 52 01 03

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)

Research Objectives:

Determine some kinematic, dynamic and control properties of hydrostatic power split transmission (HPST) to build the basis for the development of continuously variable transmission on agricultural tractors of power from 30 to 50 horsepower.

Materials and Methods

- Research on choosing the configuration and size for the components of the transmission system of the tractor with HPST; Study on dynamics and control properties of HPST by simulation method; Study the operating and control properties of tractors with HPST in some typical tractor operations and propose some solutions to control the ratios of HPST.

- Testing to verify the reliability of the simulation model, evaluate the performance as well as the ability to reproduce the operating principle of HPST by the test band designed and manufactured by the author.

Main findings and conclusions

* Scientific and technical problems have been solved

- Choosing and configuring the parameters of HPST structure appropriately to use

for agricultural tractors of power from 30 to 50 HP.

- Simulation of agricultural tractors using HPST, the model can be used to study on dynamics and controls properties of HPST corresponding to the typical working mode of the tractor. The thesis has determined the rules and control areas of the ratios of HPST corresponding to the optimal control strategy based on maximum power when the tractor works with a heavy and unstable traction load. From the research results, it is proposed that an automatic system control the ratios of HPST to improve the performance of motors and transmission components.

- HPST test band is designed, manufactured by the Ph.D student, combined with reasonable testing methods and in accordance with domestic conditions to verify the reliability of the simulation model as well as evaluate the performance of HPST.

xiv

* Scientific and practical significance

- Configuration proposals for HPST and tractors are selected on existing

structures suitable for agricultural tractors of power from 30 to 50 HP. This structure is

in accordance with the manufacturing technology currently applied in Vietnam, which

allows testing to proceed to the design and manufacturing of HPST products.

- Develop theoretical and experimental research methods to study the dynamics

and control properties of HPST, as well as to study and evaluate the performance of

HPST on agricultural tractors. Testing to verify the reliability of the simulation model

and evaluate the performance of HPST is carried out in real conditions with existing

equipment in Vietnam. This allows us to suggest the development of theoretical and

experimental research and development for

localized products under existing

conditions.

- Determining the rule and control area of the ratio of the HPST corresponding to

the optimal control strategy based on the maximum power of the engine. That is the

basis for the HPST's ratio control system to improve the efficiency of the engine and the

transmission elements on agricultural tractors.

- The thesis can be used as a reference for tractor manufacturers in Vietnam in the

research and development of continuously variable transmission for agricultural tractor.

PHẦN 1. MỞ ĐẦU

1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hộp số máy kéo có nhiệm vụ biến đổi mô men và số vòng quay của động

cơ cho phù hợp tải trọng của máy kéo trong sản xuất nông nghiệp. Mỗi tỷ số

truyền cho biết một khả năng biến đổi năng lượng, do đó theo lý thuyết khả năng

sử dụng công suất của động cơ sẽ được thực hiện tối ưu với giải pháp trang bị

hộp số vô cấp. Ngoài khả năng cung cấp vô hạn các số truyền trong một vùng tỷ

số truyền xác định và có độ êm dịu rất cao khi chuyển số, hộp số vô cấp còn có

thể kết nối với các hệ thống quản lý điện tử trên máy kéo thuận lợi hơn nhiều so

với hộp số có phân cấp.

Việc cải thiện hộp số phù hợp với các yêu cầu của hộp số máy kéo hiện đại

được thực hiện theo hai hướng chính: sử dụng hộp số sang số dưới tải trọng và

phân chia nhiều cấp số truyền. Theo lý thuyết, hộp số có đến 48 số tiến và 24 số

lùi có thể đáp ứng một phần yêu cầu của hộp số máy kéo hiện đại, tuy nhiên làm

tăng quá lớn chi phí thiết kế chế tạo và giá thành, không phù hợp với các loại

máy kéo nhỏ và trung bình. Hướng phát triển hộp số vô cấp, từ hộp số vô cấp cơ

khí đến hộp số thủy tĩnh và hiện tại là hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh

(HSPNCS), đã được ưu tiên thực hiện tại các nước phát triển.

Hộp số vô cấp cơ khí trên cơ sở các bộ biến tốc đai thang bản rộng hoặc bộ

biến tốc xích kim loại chỉ phù hợp với máy kéo cỡ nhỏ (dưới 20 mã lực). Hộp số

thủy tĩnh có nhược điểm cơ bản là hiệu suất nhỏ hơn nhiều so với hộp số cơ khí.

Phù hợp nhất, thỏa mãn các yêu cầu của máy kéo hiện đại là HSPNCS, nó tích

hợp được ưu điểm của hộp số thủy tĩnh là khả năng điều khiển vô cấp và ưu điểm

của hộp số cơ khí là hiệu suất cao nếu có chiến lược điều khiển hợp lý. HSPNCS

đã được thương mại hóa và sản xuất hàng loạt, sử dụng cho các máy kéo hiện đại

như của các hãng Case, Claas, Johu Deere, Massey Feguson…

Tại Việt Nam hiện nay, phù hợp và có hiệu quả nhất với điều kiện đồng ruộng và điều kiện kinh tế của nông dân là sử dụng máy kéo có cỡ công suất từ 30 đến 50 mã lực. Tuy nhiên tất cả các máy kéo đang sử dụng, kể cả các máy kéo

nhập ngoại từ Liên Xô cũ, Nhật Bản hay Trung Quốc hoặc là các máy kéo dự kiến thiết kế trong dự án sản xuất máy kéo mang thương hiệu Việt Nam của THACO, đều được trang bị hộp số phân cấp cơ khí với 6 đến 9 số tiến và 3 đến 4 số lùi. Việc cải tiến hộp số để đáp ứng các yêu cầu của hộp số máy kéo hiện đại

theo hướng sang số dưới tải trọng và phân chia nhiều cấp số truyền là không phù

hợp với lý do chi phí chế tạo và giá thành. Lựa chọn hợp lý nhất là HSPNCS, tuy nhiên HSPNCS thương mại hóa chỉ mới được trang bị cho máy kéo lớn trên 60 kW (trên 80 mã lực) và rất khó tiếp cận với các tài liệu công nghệ.

Do đó để hiện đại hóa hộp số theo hướng vô cấp trang bị cho máy kéo nông

nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực đang hoạt động ở Việt Nam, cần thiết

nghiên cứu phát triển HSPNCS có cấu hình phù hợp, chi phí giá thành hợp lý,

đáp ứng các yêu cầu của hộp số hiện đại.

1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2.1. Mục tiêu chung

Xác định một số tính chất truyền động và điều khiển của hộp số phân nhánh

công suất thủy tĩnh nhằm xây dựng cơ sở khoa học để phát triển hệ thống truyền

động vô cấp trên máy kéo nông nghiệp có công suất 30 đến50 mã lực.

1.2.2. Mục tiêu cụ thể

- Xác định cấu hình của HSPNCS phù hợp với máy kéo nông nghiệp cỡ

công suất 30 đến 50 mã lực;

- Xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của HSPNCS và thí nghiệm để

kiểm chứng và đánh giá độ tin cậy của mô hình;

- Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền để lựa chọn chế độ làm việc tối ưu của

máy kéo sử dụng HSPNCS khi làm việc với tải trọng kéo lớn trên đồng ruộng;

1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1. Phạm vi không gian

- Các nội dung nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng được thực hiện

tại Bộ môn Động lực - Học viện Nông nghiệp Việt Nam và tại Viện Hàn lâm

Khoa học và công nghệ Việt Nam.

- Các nội dung nghiên cứu thiết kế, chế tạo bệ thử và thực nghiệm được

thực hiện tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Động lực - Học viện Nông nghiệp

Việt Nam.

Luận án đã nghiên cứu một số tính chất truyền động và điều khiển của

HSPNCS trong một số chế độ làm việc tiêu biểu như khởi hành, chuyển số và

thay đổi tải trọng. Trong thực tế, tính chất truyền động và điều khiển của

HSPNCS còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác như động cơ diesel, lốp máy

kéo, điều kiện đồng ruộng hay chế độ làm việc riêng biệt của các máy nông

nghiệp đi kèm... Tuy nhiên, với mục tiêu là xây dựng phương pháp và xây dựng

cơ sở phát triển cấu hình truyền động vô cấp và cơ sở điều khiển tỷ số truyền cho

hộp số trên máy kéo cỡ công suất 30 đến 50 mã lực nên những yếu tố ảnh hưởng

kể trên là chưa được đề cập đến trong các kết quả nghiên cứu của luận án.

1.3.2. Phạm vi thời gian

- Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng: từ tháng 6/2017 đến 8/2020.

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thực nghiệm: từ tháng 1/2019 đến 2/2020.

1.3.3. Nội dung nghiên cứu

Với mục tiêu chung và mục tiêu cụ thể như trên, các nội dung chính của

luận án bao gồm:

- Lựa chọn cấu hình và định cỡ các phần tử truyền động của HSPNCS phù

hợp với máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực;

- Xây dựng mô hình và thí nghiệm để tái hiện và nghiên cứu các tính chất

hoạt động và điều khiển của HSPNCS;

- Đánh giá hiệu suất của HSPNCS để xác định vùng tỷ số truyền cho hiệu

suất cao nhất, tương ứng với các vùng làm việc chính của động cơ truyền lực;

- Phân tích, đánh giá chất lượng động lực học và điều khiển của HSPNCS

trong phòng thí nghiệm và khi lắp trên máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến

50 mã lực;

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tỷ số truyền để lựa chọn chế độ làm

việc tối ưu của máy kéo sử dụng HSPNCS khi làm việc với tải trọng kéo lớn trên

đồng ruộng;

- Đề xuất hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền.

1.4. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Lựa chọn được cấu hình và xác định được các thông số kết cấu của

HSPNCS phù hợp sử dụng cho máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50

mã lực.

- Mô phỏng được máy kéo nông nghiệp sử dụng HSPNCS, mô hình có thể

sử dụng cho nghiên cứu các tính chất động lực học và điều khiển hộp số tương

ứng với các chế độ làm việc điển hình của máy kéo.

- Bệ thử hộp số do NCS thiết kế, chế tạo cùng phương pháp và thí nghiệm hợp lý, phù hợp với điều kiện trong nước kiểm chứng để độ tin cậy của mô hình mô phỏng cũng như đánh giá được hiệu suất của HSPNCS.

1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

1.5.1. Ý nghĩa khoa học của luận án

- Tổng hợp được cơ sở khoa học cho lựa chọn cấu hình HSPNCS ứng dụng

phù hợp với máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực.

- Xây dựng được phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để nghiên cứu các tính chất động học, động lực học và điều khiển, cũng như để nghiên cứu đánh giá hiệu suất của HSPNCS trên máy kéo nông nghiệp.

- Xác định được quy luật và vùng điều khiển tỷ số truyền HSPNCS tương ứng với chiến lược điều khiển tối ưu theo công suất cực đại của động cơ làm cơ sở cho hệ thống điều khiển tỷ số truyền để nâng cao hiệu suất của động cơ và các phần tử truyền lực trên máy kéo nông nghiệp.

- Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất máy kéo tại Việt Nam trong quá trình nghiên cứu phát triển truyền lực vô cấp cho máy kéo nông nghiệp.

1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Luận án đã sử dụng bộ thông số và kết cấu thực của sản phẩm máy kéo cỡ công suất 30 đến 50 mã lực hiện sử dụng trong nước, thí nghiệm kiểm chứng độ tin cậy của mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu suất hộp số được thực hiện trong điều kiện thực với các thiết bị hiện có tại Việt Nam. Điều này cho phép gợi mở các hướng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm áp dụng phát triển cho sản phẩm nội địa hóa với điều kiện hiện có.

- Các đề xuất về cấu hình cho hộp số và máy kéo được lựa chọn trên các kết cấu sẵn có cùng với các công nghệ chế tạo tham khảo hiện đang áp dụng tại Việt Nam, cho phép thử nghiệm để tiến tới thiết kế và chế tạo thử nghiệm sản phẩm thực tế.

PHẦN 2. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP Ở VIỆT NAM

2.1.1. Tình hình cơ giới hóa và sử dụng máy kéo nông nghiệp

Tính đến 2020, trang bị động lực bình quân trong sản xuất nông nghiệp cả

nước đạt 1,6 mã lực/ha canh tác, riêng đối với sản xuất lúa đạt 2,2 mã lực/ha. Cả

nước có khoảng 600.000 máy kéo, trong đó máy kéo cỡ lớn và cỡ trung khoảng

238.000 chiếc. Máy kéo là nguồn động lực chủ đạo cho các khâu canh tác như

làm đất, gieo trồng, chăm sóc và một phần tưới tiêu. Mức độ cơ giới hóa bình

quân các khâu và các loại cây trồng cụ thể như sau:

- Khâu làm đất: Lúa đạt 85,21%, cao nhất vùng đồng bằng sông Hồng và

đồng bằng sông Cửu Long đạt 96%, thấp nhất là vùng trung du miền núi phía

Bắc đạt 51,7%; Mía đạt 80% ở các vùng sản xuất tập trung; Ngô đạt 70%; Sắn

đạt 8%; Vùng rau chuyên canh đạt 90%.

- Khâu gieo trồng: Đối với lúa cấy và gieo xạ đạt 30%; Mía đạt 30%; Cao

su đạt khoảng 70%.

- Khâu chăm sóc (vun, xới, phun thuốc bảo vệ thực vật): Lúa đạt khoảng

60%; Đối với chè và mía đạt 70%.

Về quy hoạch đất, đồng ruộng, sản xuất lúa chủ yếu có quy mô nhỏ lẻ, chưa

đạt hiệu quả kinh tế. Ruộng đất manh mún, phân tán với diện tích trung bình mỗi

hộ đạt 0,44 ha, 85% thửa ruộng có diện tích dưới 0,5 ha. Hơn nữa đất nông

nghiệp chưa được quy hoạch tập trung, xen lẫn với đô thị, công nghiệp, lâm

nghiệp gây khó khăn cho việc cơ giới hóa.

Máy kéo nông nghiệp đang sử dụng ở Việt Nam có xuất xứ đa dạng nhập

khẩu từ Nhật Bản, Trung Quốc (Kubota, Yanma, Iseiki,...) hoặc sản xuất trong

nước. Ngoài ra còn có các máy kéo trước đây đã nhập khẩu từ Liên Xô cũ và

châu Âu (MTZ, John Deere,...). Các sản phẩm nhập khẩu chiếm 70% trong đó

50% là máy cũ, chất lượng không kiểm soát được. Máy kéo sản xuất trong

nước chiếm khoảng 30%, là máy kéo đẩy tay 12 ÷ 18 mã lực và máy kéo 4

bánh 24 mã lực.

Việc định hướng phát triển cho máy kẽo cỡ nhỏ đã được đề cập đến trong

các văn bản chính thức của nhà nước như Quyết định 02/2008/QĐ-BCT của Bộ

Công thương về việc phê duyệt Quy hoạch phát triển công nghiệp sản xuất máy

động lực và máy nông nghiệp giai đoạn 2006-2015, có xét đến năm 2020 (Bộ

Công thương, 2008) và Quyết định 1342/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ về

việc phê duyệt kế hoạch hành động phát triển ngành công nghiệp máy nông

nghiệp thực hiện chiến lược công nghiệp hóa của Việt Nam trong khuôn khổ hợp

tác Việt Nam - Nhật Bản hướng đến năm 2020, tầm nhìn 2030 (Thủ tướng Chính

phủ, 2014). Theo đó, định hướng phát triển đối với máy nông nghiệp có đề cập

đến: "Giai đoạn đến năm 2015, sản xuất đáp ứng đủ nhu cầu trong nước về trang

bị máy kéo hai bánh đến 12 mã lực, bước đầu sản xuất có hiệu quả máy kéo bốn

bánh 18-25 mã lực thay thế nhập khẩu, trên cơ sở đó từng bước nâng cao khả

năng sản xuất máy kéo bốn bánh công suất 35-40 mã lực. Tìm kiếm, hợp tác với

nước ngoài để lắp ráp và sản xuất máy kéo bốn bánh 50-80 mã lực, trước hết là

chế tạo chi tiết, phụ tùng, dần làm chủ công nghệ chế tạo đồng bộ loại máy này".

Trong các văn bản này cũng có nội dung qui hoạch chi tiết cho phát triển sản

phẩm máy kéo: "Kêu gọi liên doanh nước ngoài để sản xuất máy kéo 4 bánh cỡ

18-35 mã lực và 50-80 mã lực, hướng vào xuất khẩu là chính".

Từ những vấn đề thời sự của tình hình cơ giới hóa, đặc điểm sử dụng thực

tế của sản xuất nông nghiệp trong nước, cũng như các định hướng phát triển

ngành cho thấy việc nghiên cứu sản xuất máy kéo nhỏ cỡ 30 - 50 mã lực là có

nhu cầu thực sự. Để đạt được những mục tiêu này, cần thiết phải có các nghiên

cứu phát triển một cách sâu rộng cho các cụm chi tiết trên dòng máy kéo này,

phù hợp với điều kiện làm việc thực tế tại Việt Nam.

2.1.2. Đặc điểm kết cấu hệ thống truyền lực trên máy kéo đang sử dụng ở Việt Nam

Đặc điểm chung của hai loại máy kéo sản xuất tại Việt Nam là sử dụng

động cơ 1 xy lanh nằm ngang, hộp số được dẫn động bởi một bộ truyền đai thang

từ động cơ và có 6 số tiến, 2 số lùi. Nhược điểm cơ bản là gây va đập khi sang số

và khó điều khiển để tìm được điểm làm việc tối ưu nhằm sử dụng hết công suất

động cơ khi máy kéo thực hiện nhiều dạng công việc khác nhau trong sản xuất

thực tế.

Hình 2.1 trình bày sơ đồ hệ thống truyền lực của máy kéo đẩy tay BS12 và

BS16,5, chỉ phù hợp với giai đoạn chuyển đổi ban đầu của nền sản xuất nông

nghiệp Việt Nam. Năm 2014, Tổng Công ty Động lực và Máy nông nghiệp

(VEAM) bắt đầu nghiên cứu chế tạo mẫu máy kéo 4 bánh đầu tiên trên cơ sở kết

cấu hệ thống truyền lực của máy kéo đẩy tay. Máy kéo 4 bánh 24 mã lực đã khắc

phục được một số nhược điểm của máy kéo đẩy tay, do bố trí hệ thống lái và thay

thế cơ cấu chuyển hướng kiểu ly hợp vấu bằng cơ cấu vi sai. Tuy đã bước đầu

được sản xuất và chấp nhận do giá rẻ nhưng rất khó cạnh tranh với các máy kéo

nhập ngoại cỡ trung bình và nhỏ.

a) Máy kéo BS16,5 b) Máy kéo BS12

Nguồn: Nguyễn Công Thuật (2014)

Hình 2.1. Sơ đồ truyền lực của máy kéo đẩy tay

Ngoài các máy kéo được nhập từ Liên Xô cũ hiện nay các máy kéo nhỏ

công suất dưới 30kW (40 mã lực) có nguồn gốc từ Trung Quốc hay Nhật Bản

đang được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp, ưa dùng nhất là các máy kéo đã

qua sử dụng của các hãng Kubota, Yanma, Iseiki,… Đặc điểm chung về kết cấu

hệ thống truyền lực của các máy kéo này là sử dụng động cơ Diesel 3 xy lanh

đứng với ly hợp ma sát khô. Hệ thống truyền lực có 8 ÷ 9 số tiến và 3 ÷ 4 số lùi.

Ngoài ra máy kéo được trang bị hệ thống lái cơ khí, có thể có trợ lực thủy lực

(Nguyễn Công Thuật, 2014)

Để khắc phục các nhược điểm của máy kéo nhập ngoại là đắt tiền đối với

máy kéo Nhật Bản, cũng như việc không kiểm soát được chất lượng đối với máy

kéo đã qua sử dụng và kém ổn định như máy kéo Trung Quốc, đã xuất hiện dự án

sản xuất máy kéo ở dạng thiết kế chép mẫu và nội địa hóa từng phần loại máy

kéo 30- 50 mã lực của Hàn Quốc tại Công ty Cổ phần ô tô Trường Hải

(THACO). Tuy nhiên, hệ thống truyền lực vẫn được sử dụng là hệ thống truyền

lực cơ khí phân cấp với số các số truyền còn khiêm tốn.

Tóm lại, HTTL sử dụng trên máy kéo nông nghiệp ở Việt Nam chủ yếu là

HTTL cơ khí chưa có thể lựa chọn vô cấp tỷ số truyền, nghĩa là khó tìm được điểm làm việc tối ưu tương ứng với công việc khác nhau trong sản xuất nông nghiệp.

2.2. TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP

Đến những năm cuối của thế kỷ XX, hầu như tất cả các máy kéo nông

nghiệp đều được trang bị hộp số phân cấp cơ khí. Do có chi phí đầu tư phát triển

lớn nên hộp số vô cấp chưa có vai trò đáng kể để trang bị cho máy kéo.

Một nguyên nhân nữa dẫn đến hộp số vô cấp chưa được sử dụng nhiều trên máy kéo nông nghiệp là hiệu suất truyền lực thấp (Mürrenhoff & Wallentowitz, 1998).

Nguồn: Mürrenhoff & Wallentowitz (1998)

Hình 2.2. So sánh định tính về tính chất hiệu suất truyền lực của máy kéo khi trang bị các hộp số khác nhau

Ngay cả hộp số sang số dưới tải trọng và hộp số vô cấp xích biến tốc cũng

có hiệu suất nhỏ hơn hộp số phân cấp cơ khí. Nguyên nhân giảm hiệu suất được

giải thích do có hao tổn trượt tại các ly hợp ma sát ướt và tiêu hao năng lượng

cho hệ thống thủy lực phụ trợ. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của hộp số phân

cấp cơ khí là phải ngắt dòng lực kéo, gây va đập khi sang số và đảo chiều cũng

như khó tìm chế độ làm việc tối ưu cho máy kéo phù hợp với mọi điều kiện sản

xuất nông nghiệp. Trong giai đoạn tiếp theo việc nghiên cứu, phát triển hộp số vô

cấp trở nên thuận lợi hơn do đó có sự tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật thủy lực và

phát triển mới về cấu hình HSPNCS có khả năng làm tăng thành phần công suất

cơ khí theo vận tốc chuyển động của máy kéo (Kress, 1968; Skirde & Gigling,

1996). Ở Châu Âu hình thành xu hướng phát triển HSPNCS cho máy kéo lớn và

vẫn giữ hộp số vô cấp xích biến tốc cho máy kéo nhỏ.

2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP TRÊN MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP

Phù hợp với điều kiện sản xuất nông nghiệp, hộp số máy kéo cần được thỏa

mãn các yêu cầu cơ bản sau:

- Sử dụng tối ưu công suất động cơ trên toàn vùng vận tốc;

- Hiệu suất tối ưu kể cả khi vận tốc nhỏ và yêu cầu lực kéo lớn cũng như

vận chuyển với một vận tốc cao trên đường;

- Lựa chọn vô cấp vận tốc chuyển động trong toàn vùng để tương thích với

tất cả các điều kiện làm việc;

- Thay đổi vận tốc, đảo chiều không ngắt dòng lực kéo và không có va đập;

- Chi phí nhiên liệu nhỏ với năng suất diện tích cực đại.

Để thỏa mãn các yêu cầu trên, hộp số máy kéo đã chuyển từ hộp số không đồng tốc đến đồng tốc từng phần và đồng tốc hoàn toàn, tiếp theo là hộp số sang

số dưới tải từng phần và hộp số sang số dưới tải hoàn toàn. Điều đó lần đầu tiên cho phép việc thay đổi vận tốc không cần ly hợp và không cần ngắt dòng lực kéo. Tuy nhiên, chỉ có một số truyền tương thích với vùng giới hạn công suất của động cơ, có nghĩa là không thể sử dụng tối ưu công suất của động cơ trên toàn

vùng vận tốc, tương thích với tất cả các điều kiện làm việc, kể cả khi chia nhỏ các cấp truyền nhờ tăng số các số truyền. Thí dụ 48 số tiến và 24 số lùi, phối hợp sang số dưới dạng tải trọng thì cũng không phải lựa chọn tối ưu do chi phí quá lớn cho kết cấu ly hợp, hộp số quá phức tạp.

Đơn giản hơn về kết cấu và dễ tự động hóa để thỏa mãn các yêu cầu của máy kéo nông nghiệp hiện đại là trang bị hộp số vô cấp. Đây là giải pháp đã và đang được quan tâm trong lịch sử phát triển hệ thống truyền lực của máy kéo

(Casoli & cs., 2007; Xia & cs., 2018; Raikwar & cs., 2015; Zbigniew Żebrowski, 2007).

2.3.1. Truyền động vô cấp cơ khí

Theo kết quả phân tích trong (Viet Duc Bui, 2007; Nguyễn Công Thuật, 2014) trong dải công suất máy kéo nhỏ hơn 30 mã lực (22,2 kW) thì truyền động cơ khí là một lựa chọn phù hợp. Trong đó, truyền động đai và truyền động xích biến tốc được ưu tiên sử dụng trên máy kéo nông nghiệp.

Đặc điểm chung của hệ thống truyền động vô cấp cơ khí là phạm vi điều khiển vô cấp nằm trong khoảng 1÷5 và 1÷9. Để máy kéo có thể làm việc tối ưu

khi canh tác trên đồng và khi vận chuyển trên đường cần mở rộng khoảng vô cấp

bằng cách bố trí trước hoặc sau bộ biến tốc một hộp số cơ khí có hơn một số tiến và một số lùi.

Hệ thống truyền lực cơ khí vô cấp ứng dụng đầu tiên vào năm 1957 cho máy

kéo MAN A25 (Hình 2.3). Bộ đai biến tốc được dẫn động từ động cơ có công suất

18 kW (24 mã lực) thay đổi số truyền liên tục từ 1÷4 và được điều khiển bằng tay.

Hộp số cơ khí có hai số tiến, một số lùi bố trí nối tiếp cho phép máy kéo chuyển

động ở ba dải vận tốc ứng với một số chế độ vận tốc không đổi của động cơ.

Nguồn: Kirste (1989)

Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống truyền động ZF-P.IV.ASL8Reimers

Thế hệ tiếp theo của ASL8 là ASL210 đã được trang bị điều khiển tự động

tỷ số truyền. Máy kéo sử dụng ly hợp kép cho hệ thống di động và bơm thủy lực,

trục trích công suất. Phía thứ cấp của bộ truyền biến tốc bố trí một hộp số cơ khí

có 3 số tiến và 1 số lùi. Mẫu tiếp theo là ASL218 được trang bị cho máy kéo

công suất 44 kW (59 mã lực), hộp số cơ khí hai cấp số truyền bố trí trước bộ biến

tốc. Tại phía thứ cấp của bộ biến tốc lắp bộ truyền hành tinh có nhiệm vụ đảo

chiều, cho phép máy kéo có các dải chuyển động tiến lùi như nhau.

Cũng năm 1965 bộ truyền T518 trang bị cho máy kéo Schutter Super 550.

Trong hệ thống truyền lực, hộp số cơ khí hai cấp truyền được đặt trước bộ biến

tốc. Ly hợp ma sát kép bố trí trên trục thứ cấp để thực hiện chuyển số hộp số có 3

cấp số truyền. Bằng cách đó tạo cho máy kéo có 3 dải vận tốc chuyển động tiến

lùi như nhau.

Trong những năm 1988/1989 hệ thống truyền lực của máy kéo được cải

thiện đáng kể với bộ biến tốc. Việc điều khiển tỷ số truyền của bộ biến tốc được

thực hiện tự động nhờ hệ thống điều khiển thủy lực - điện, tín hiệu điều khiển là

mô men xoắn trên đường truyền lực lấy từ một cảm biến mômen. Trên Hình 2.4,

giới thiệu một số hệ thống truyền lực vô cấp trang bị cho máy kéo nghiên cứu có

công suất 22 kW (gần 30 mã lực), đặc điểm là hệ thống có kết cấu đơn giản với

hộp số phân tầng có số lùi bố trí phía sau bộ biến tốc.

Nguồn: Hansel (1991)

Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống truyền động vô cấp của ĐH Munich

Để cải thiện tính chất hoạt động và điều khiển của các máy kéo cỡ nhỏ sản

xuất tại Việt Nam (công suất 9-20 kW (12-27 mã lực)), Bùi Việt Đức phát triển

mẫu máy kéo nhỏ có kết cấu đặc trưng là bộ truyền đai được bố trí ngay sau động

cơ và ly hợp ma sát nằm trước hộp số cơ khí (hình 2.5) (Viet Duc Bui, 2007).

Bộ biến tốc đai thang có tỷ số truyền từ 0,4 đến 2,5 được điều khiển bằng

tay, hộp số cơ khí có 2 số tiến 1 số lùi kết hợp với bộ vi sai và truyền lực cuối

cùng. Sự phối hợp giữa bộ biến tốc và hộp số cơ khí tạo ra một hệ thống truyền

động vô cấp phân tầng cho máy kéo phù hợp với điều kiện làm việc trên đồng

hay vận chuyển trên đường.

Nguồn: Viet Duc Bui (2007)

Hình 2.5. Sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ ở Việt Nam

Kế thừa hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trong (Viet Duc Bui, 2007),

Nguyễn Công Thuật đã phát triển hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền vô

cấp trên cơ sở thủy lực điều khiển vị trí (Nguyễn Công Thuật, 2014). Sử dụng

van đóng ngắt điều khiển bề rộng xung (PWM), tỷ số truyền được tự động điều

khiển thông qua vị trí của xy lanh thủy lực tác động vào đĩa chủ động của bộ biến

tốc (Hình 2.6), sao cho công suất của động cơ được sử dụng tối ưu với mọi chế

độ vận tốc của máy kéo khi làm việc trên đồng.

Nguồn: Nguyễn Công Thuật (2014)

Hình 2.6. Mô hình điều khiển tự động tỷ số truyền sử dụng van đóng ngắt

Truyền động vô cấp phân tầng với hệ thống điều khiển tỷ số truyền trên đây

là một lựa chọn phù hợp để trang bị cho các máy kéo nhỏ sản xuất tại Việt Nam

do ít thay đổi về kết cấu bộ truyền động đai, phân tầng đơn giản, điều khiển đơn

giản chi phí thấp.

2.3.2. Truyền động thủy tĩnh

Giải pháp vô cấp tiếp theo là truyền động thủy tĩnh. Mạch truyền động

thủy lực bao gồm một bơm điều khiển được thể tích riêng và một hoặc vài động

cơ thủy lực. Hệ thống truyền động thủy tĩnh có khả năng làm tăng mức độ tự do

trong kết cấu, thay đổi vô cấp vận tốc chuyển động, thay đổi hướng chuyển

động và có thể thực hiện quá trình phanh không hao mòn. Do các tính chất ưu

việt đã nêu, truyền động thủy tĩnh không chỉ còn giới hạn trong vùng công suất

nhỏ, mà ngày càng được ứng dụng nhiều cho các thiết bị di động công suất lớn.

Do yêu cầu vùng thay đổi vận tốc lớn nên người ta thường chọn liên hợp hộp số

thủy tĩnh với hộp số sang số dưới tải để nhân rộng vùng vận tốc. Tuy nhiên như

đã phân tích, phương án này sẽ làm tăng tính phức tạp của kết cấu và do đó làm

tăng chi phí chế tạo. Ngoài ra, nhược điểm cơ bản của truyền động thủy tĩnh là

hiệu suất thấp.

2.3.3. Mạch điều khiển cơ bản của hộp số thủy tĩnh

Dạng đơn giản nhất của truyền động thủy tĩnh bao gồm một bơm dẫn động

từ động cơ đốt trong và một động cơ thủy lực. Bơm và động cơ thủy lực kết nối

1- Bơm; 2- Động cơ thủy lực; 3- Bơm phụ; 4- Van một chiều; 5- Van giới hạn áp suất;

6- Van xả; 7- Van duy trì áp suất; 8- Van áp suất

với nhau trong một mạch điều khiển kín (Hình 2.7).

Nguồn: Hansel (1991)

Hình 2.7. Sơ đồ mạch thủy lực của hộp số thủy tĩnh

Ngoài bơm và động cơ, để hộp số hoạt động cần có thêm các phần tử kết

cấu khác. Các van áp suất 8 để bảo vệ động cơ đốt trong để khỏi quá tải. Dòng

dầu lưu thông trong mạch thủy lực được làm nóng bởi hao tổn công suất hộp số,

cần có bơm dầu phụ 3 để cung cấp đồng thời áp suất cho các đơn nguyên điều

khiển và dầu đã làm mát qua các van 1chiều đến mỗi đường dầu áp suất thấp.

Van giới hạn áp suất 5 xác định áp suất của đường dầu áp suất thấp, lượng dầu

nóng lên tương ứng tại các đường ống dầu được dẫn qua van xả 6 và van duy trì

áp suất 7. Bằng cách đó, lượng dầu hao tổn do lọt dòng trong bơm và động cơ

cũng được bổ sung.

Trong kết cấu thực tế người ta thường phối hợp chức năng của van giới hạn áp suất mạch với van giới hạn áp suất cung cấp, thành phần này được bố trí tại vỏ bơm, van xả được bố trí tại vỏ của động cơ.

Trong những kết cấu đơn giản, chỉ có bơm được thiết kế làm đơn nguyên điều khiển. Để thay đổi tỷ số truyền, người ta thay đổi thể tích riêng của bơm và thay đổi chiều chuyển động nhờ thay đổi chiều cung cấp. Vùng điều khiển được mở rộng cơ bản nhờ điều khiển cả hai, khi đó có thể thực hiện điều khiển riêng lẻ hoặc phối hợp điều khiển giữa bơm và động cơ.

Máy kéo sử dụng truyền lực thủy tĩnh thường có các phương án kết cấu như

hình 2.8.

Nguồn: Hansel (1991)

Hình 2.8. Các phương án mạch truyền động thủy lực cho máy kéo và xe chuyên dụng

Dạng đơn giản nhất là mỗi cầu được dẫn động từ một động cơ thủy lực qua hộp số cơ khí. Để có kết cấu không cần trục sơ cấp hoặc trục trung gian, trong hệ thống truyền lực sẽ cần nhiều động cơ. Để giảm số vòng quay bánh xe có thể bố trí phối hợp với một bộ truyền hành tinh (Hansel, 1991).

Đối với xe xích thường sử dụng một hộp số thủy tĩnh riêng cho mỗi dải

xích. Tại động cơ truyền lực bố trí một đơn nguyên bơm kép, các hộp số có thể điều khiển thay đổi hướng độc lập với nhau.

Trên các xe nhiều cầu, các động cơ thủy lực được mắc song song với nhau,

do đó tất cả các động cơ đều chịu áp suất như nhau. Mắc song song có lợi nếu tất cả các động cơ nhận tải chung như các trường hợp xe chạy bình thường trên đường phẳng. Tuy nhiên cũng như các bộ vi sai cơ khí, trong các mạch truyền động thủy lực cũng xuất hiện nguy cơ, nếu một bánh xe có tính chất bám không

thuận lợi hoặc thoát tải mạnh sẽ dẫn tới bị trượt quay làm cho mômen trên bánh xe còn lại giảm mạnh. Để khắc phục, cần bố trí khóa vi sai thủy lực theo nguyên lý chia dòng (Mürrenhoff & Wallentowitz, 1998).

2.3.4. Điều khiển hộp số thủy tĩnh

Mặc dù về cơ bản việc lựa chọn tỷ số truyền do lái xe đảm nhận, trong các hệ thống truyền động thủy tĩnh điều khiển vô cấp cũng có thể tự động điều khiển

từng phần. Một mặt có thể giảm tải cho lái xe, mặt khác cho khả năng theo đuổi mục tiêu tối ưu hóa nhờ việc điều khiển tự động. Ngoài ra trên các xe được ưu tiên cao nhất là cắt giảm nhu cầu nhiên liệu, cần thiết sử dụng hết công suất của động cơ. Để phù hợp với mục tiêu này, người ta sử dụng hệ thống tự cắt giảm áp

suất và điều chỉnh tải trọng trong giới hạn trong các mạch truyền động thủy lực di động. Một dạng kết cấu đặc biệt được gọi là điều khiển tự động.

Mặc dù các hệ thống điều khiển tự động nêu trên có thể thực hiện với chi

phí kỹ thuật tương đối thấp, nhưng có chi phí lớn cho việc làm tương thích tối ưu giữa động cơ với các nhiệm vụ truyền lực. Để cải thiện chi phí và tối ưu hóa phối hợp làm việc của hệ thống truyền lực, có thể thay thế hệ thống điều khiển thủy lực - cơ khí bằng điều khiển điện tử (Jin, 2018). Hơn nữa điều khiển điện tử còn

có khả năng tích hợp các nhiệm vụ điều khiển khác mà không cần thêm chi phí đầu tư.

Hình 2.9 giới thiệu một sơ đồ điều khiển thủy lực để mở rộng vùng vận tốc chuyển động và tránh các vùng làm việc có hiệu suất không thuận lợi. Việc điều khiển bơm và động cơ thủy lực cũng như sang số được thực hiện bằng điều khiển điện tử. Lái xe chỉ tác động để chọn trước hướng chuyển động, vùng vận tốc và vị trí của bàn đạp ga. Bộ điều khiển điện tử có thể điều

khiển động cơ đốt trong tương thích với các nhiệm vụ truyền lực trong các điều kiện làm việc đã cho.

Nguồn: Jin (2018)

Hình 2.9. Điều khiển điện tử trên xe chuyên dụng trang bị hộp số thủy tĩnh

2.3.5. Hộp số nhập dòng công suất

Nguồn: Mürrenhoff& Wallentowitz (1998)

Hình 2.10. Hệ thống truyền động của máy xúc lật

Máy xúc lật là một xe chuyên dụng có phổ hoạt động rất rộng, từ việc nâng

chuyển trong nhà đến nâng chuyển đất đá trong hầm mỏ và thường sử dụng

truyền động thủy tĩnh.

Truyền động thủy tĩnh trên máy xúc lật có thể có công suất trong khoảng

nhỏ hơn 60 kW (80 mã lực) đến 100 kW (1 mã lực) và lớn hơn 100 kW (Hình

2.10) (Mürrenhoff& Wallentowitz, 1998). Công suất nhỏ hơn 60 kW máy sử

dụng hộp số thủy tĩnh thuần túy. Khi công suất đến 100 kW và lớn hơn 100 kW,

hộp số thủy tĩnh được phối hợp nhập dòng công suất hoặc sang số dưới tải trọng.

Tùy từng trường hợp ứng dụng mà có thể sang số khi ngắt hoặc không ngắt dòng

lực kéo.

Về nguyên lý, hộp số nhập dòng công suất (hình 2.11) bao gồm một bơm

điều khiển được thể tích, hai động cơ thủy lực điều khiển được thể tích và một

hộp số nhập dòng sang số dưới tải trọng. Hai động cơ làm việc qua các trục trung

gian có thể đóng ngắt khác nhau đến một trục thứ cấp trung tâm. Nhờ điều khiển

chung động cơ diesel, đĩa lắc của bơm và động cơ thủy lực và ly hợp nên có thể

lựa chọn vùng tỷ số truyền gần như vô cấp.

Nguồn: Mürrenhoff& Wallentowitz (1998)

Hình 2.11. Hộp số thủy tĩnh truyền động sát nhập dòng công suất

Quá trình sang số được thực hiện bằng cách điều khiển nhanh động cơ

muốn chuyển mạch về 0, động cơ còn lại truyền công suất yêu cầu. Quá trình này

không chỉ tác động đến động cơ và các ly hợp k1 đến k4 mà còn đến cả bơm và

động cơ truyền lực nên lái xe không thể điều khiển được. Hệ thống bố trí một

máy tính trung tâm đảm nhận cả chức năng điều khiển tải trọng giới hạn, điều

khiển phân cấp và điều khiển chuyển động tự động. Bằng cách đó có thể lựa

chọn các chương trình làm việc khác nhau giữa chuyển động và hoạt động nâng

chuyển và tái lập chương trình theo ý muốn của lái xe hoặc thích hợp với các

điều kiện làm việc.

2.3.6. Truyền động phân nhánh công suất thủy tĩnh 2.3.6.1. Nguyên lý phân nhánh công suất

Việc ứng dụng truyền động thủy tĩnh cho máy kéo thường thất bại do hiệu

suất truyền lực so với hộp số phân cấp sang số dưới tải là quá thấp. Hộp số phân

nhánh công suất kết hợp được ưu điểm về điều khiển vô cấp số vòng quay với

hiệu suất truyền lực cao tương tự hộp số sang số dưới tải (85% ÷ 90%)

(Orshansky & Weseloh, 1972; Kirejczyk, 1984; Mürrenhoff & Wallentowitz,

1998). Ý tưởng cơ bản của hộp số phân nhánh công suất là: Công suất của động

cơ đốt trong được phân chia thành một phần truyền động thủy lực và một phần

truyền động cơ khí. Phần công suất lớn hơn truyền theo nhánh cơ khí với công

suất cao.

Nguyên lý phân nhánh công suất cơ bản được đề cập đến trong (Chengyan,

2010), được trình bày trên hình 2.12. Trong sơ đồ, cần dẫn của bộ truyền hành

tinh nhận truyền động từ trục sơ cấp với công suất vào Pe. Khi máy kéo đứng

1- Trục sơ cấp; 2- Cần dẫn; 3- Trục thứ cấp; 4- Bánh răng mặt trời; 5- Vành răng; 6- Bơm; 7- Động cơ thủy lực

yên, trục thứ cấp và bánh răng mặt trời bị hãm cứng.

Nguồn: Chengyan (2010)

Hình 2.12. Nguyên lý phân nhánh công suất

Trong chế độ khởi hành động cơ thủy lực có thể tích làm việc lớn nhất và

bơm nhận truyền động từ vành răng bắt đầu tăng góc lắc từ 0 để tăng thể tích

Vp. Động cơ thủy lực bắt đầu quay và làm quay bánh răng mặt trời của bộ

truyền hành tinh cùng trục thứ cấp. Việc làm tăng số vòng quay bánh răng mặt

trời làm giảm số vòng quay của vành răng và dẫn đến giảm số vòng quay của

trục bơm. Công suất vào bơm giảm, đồng thời việc tăng thể tích bơm Vp lại tác

động làm tăng số vòng quay trục thứ cấp. Nếu bơm được điều khiển đến thể

tích cực đại và thể tích làm việc của động cơ thủy lực được làm nhỏ đi dẫn đến

làm tăng số vòng quay của bánh răng mặt trời và trục thứ cấp, số vòng quay

vành răng và phần công suất bơm thủy lực tiếp tục giảm. Nếu điều khiển thể

tích làm việc của động cơ thủy lực giảm đến 0 thì bơm 6 và vành răng sẽ bị

khóa cứng. Tại điểm làm việc này tất cả công suất vào được truyền qua nhánh

cơ khí, bởi vì cần dẫn quay quanh vành răng và trực tiếp dẫn động bánh răng

mặt trời và trục thứ cấp.

Số vòng quay thứ cấp có thể tiếp tục tăng cao bằng cách điều khiển góc của

đĩa lắc động cơ thủy lực nhỏ hơn 0. Khi đó động cơ trở thành bơm dẫn động từ

trục thứ cấp. Bơm khi đó hoạt động ở chế độ động cơ và tiếp tục làm quay vành

răng làm cho số vòng quay bánh răng mặt trời tiếp tục tăng. Tại điểm làm việc

này, một phần công suất ra được dẫn vòng trở lại bộ truyền thủy lực. Trạng thái

này được gọi là tuần hoàn công suất, làm tăng tải trọng trục bánh răng mặt trời

lớn hơn 100% công suất vào, làm cho hiệu suất hộp số trở lên xấu đi do tăng hao

tổn trong bộ truyền thủy lực.

Để trục thứ cấp quay ngược lại, bơm được điều khiển góc của đĩa lắc theo

chiều ngược lại. Chiều quay ngược lại của trục thứ cấp dẫn đến hậu quả là tiếp

tục làm tăng số vòng quay vành răng và bơm. Công suất động cơ thủy lực truyền

đến trục thứ cấp được tuần hoàn qua bộ truyền hành tinh đến bơm công suất

chung, trong trạng thái hoạt động này được truyền qua nhánh thủy lực, do đó khi

chuyển động lùi, hộp số nêu trên sẽ có hiệu suất xấu hơn chuyển động tiến.

Nhược điểm tiếp theo là tải trọng của cả các phần thủy lực và các phần cơ

khí đều lớn hơn 100% công suất đầu vào.

Hộp số trên cơ sở hình 2.12 có các điểm làm việc dẫn đến tăng tải trọng cho

các thành phần tham gia kết cấu do tuần hoàn công suất. Một số sơ đồ hộp số

máy kéo tránh được các điểm làm việc này nhờ kết cấu hệ thống khởi hành.

Để có nhiều vùng vận tốc không phải ngắt dòng lực kéo người ta đã bố trí

nhiều bộ hành tinh và/hoặc nhiều cấp truyền bánh răng để mở rộng khoảng vô

cấp, mặt khác đã bố trí các mạch đảo chiều hoặc hộp số đảo chiều với các ly hợp

đĩa để thực hiện chuyển động lùi của máy kéo (Heinz, 2010).

2.3.6.2. Phát triển và ứng dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh trên máy kéo

Máy kéo sử dụng HSPNCS, được chào bán bởi các hãng sản xuất nổi tiếng

như Case, Claas, DeutzFahr, AGGO, Johndeere, MasseyFerguson và Steyr, có công suất từ 63 ÷ 243 kW (325 mã lực) (Bùi Hải Triều, 2006).

Cuối thập kỷ 80 Claas bắt đầu phát triển HSPNCS thủy tĩnh HM - 8 làm

việc theo ý tưởng của giáo sư Jarchob năm 1990 và năm 1992 công bố về trình độ phát triển (Alarico, 2011).

Nguồn: Alarico (2011)

Hình 2.13. Sơ đồ hộp số HM - 8

Hộp số HM - 8 được cấu tạo bởi hộp số thủy tĩnh, bộ truyền hành tinh và nhóm bộ truyền mắc nối tiếp. Công suất vào từ động cơ diesel được phân nhánh

tại trục vào thành một phần cơ khí và một phần thủy lực. Phần công suất thủy lực

được dẫn qua trục 2 của bộ biến tốc thủy lực và chuyển đổi tương ứng nhờ thay

đổi góc lắc của bơm qua trục 3 đến trục 7 của bánh răng mặt trời. Phần cơ khí truyền qua mạch đảo chiều đến trục 4. Từ đây công suất được dẫn đến vành răng của phần tử hành tinh P1 và cần dẫn của P2. Việc dẫn chung cả hai nhánh công suất được thực hiện trong bộ truyền hành tinh kép có một trục kết nối nhánh 5 và một trục kết nối chậm 6.

Việc truyền công suất tiếp theo được thực hiện nhờ các cụm truyền động

mắc nối tiếp với 8 vùng vận tốc được sang số dưới tải trọng không ngắt dòng lực

nhờ điều khiển thích hợp các ly hợp từ K1 đến K8. Do có 8 vùng vận tốc truyền

động nên có thể lựa chọn các thành phần phi tiêu chuẩn. Vùng góc lắc của bơm ở vào khoảng ± 20o và thể tích cực đại 28 cm3/vòng.

Động cơ thủy lực là máy trục nghiêng không thay đổi thể tích làm việc với VM = 16cm3/vòng. Phần công suất thủy lực là 33% đến 100% trong quá trình khởi hành.

Để tăng hiệu suất nhờ phân nhánh công suất phải dựa vào việc làm nhỏ

vùng chuyển đổi có hiệu quả công suất thủy lực càng nhỏ so với công suất

chung thì càng cần nhiều cấp truyền kế tiếp và hiệu suất càng tốt hơn trong

một vùng tỷ số truyền. Hiệu suất cao nhất sẽ phụ thuộc vào kết cấu hộp số, khi

mà công suất qua nhánh thủy lực bằng 0 có nghĩa là công suất ra được tạo ra

hoàn toàn bằng cơ khí.

Sau Claas, các hãng Fendt, Seyr và ZF cũng đưa ra các mẫu hộp số phân

nhánh công suất riêng biệt.

Năm 1995, Fendt giới thiệu một hộp số vô cấp mới tại hội trợ Agritechnika.

Hộp số không làm việc theo nguyên lý Jarchow và được chế tạo hàng loạt cho máy kéo Favorit 926. Sự phát triển phi thường của máy trục nghiêng 450 của Sauer Sundstand với hiệu suất 95% tại điểm làm việc là một phát triển quan trọng trong

lĩnh vực máy hướng trục và cho Fendt một xung lực bổ sung.

Một thời gian ngắn sau Fendt, Case Steyr (Steyrs - Matic) và ZF cũng giới

thiệu các lựa chọn hộp số thủy cơ tại hội nghị Agritechnika 1997 với hai hộp số có 4 vùng vận tốc. Năm 1999 Fendt giới thiệu bổ sung các serie 900, 700 và 400 với hộp số Vario. Đến với Agritechnika còn có Case và Steyr giới thiệu một máy

kéo có hộp số vô cấp lớn công suất 80 – 125 kW. Mùa hè năm 2000, Deutz Fahr ra mắt hộp số một vùng vận tốc đầu tiên của Agroton TTV (Lenge, 2001).

Nhờ ứng dụng phân nhánh công suất mà yêu cầu về hiệu suất đối với vùng vận

tốc quan trọng nhất của hộp số máy kéo được thỏa mãn hoàn toàn (Renius, 2005).

2.3.6.3. Hộp số đã sản xuất hàng loạt a. Hộp số của Fendt Vario (Hollader, 1996)

Khác với hộp số HM-8, trong đó công suất được phân nhánh trực tiếp thành hai phần cơ khí và thủy lực nhờ một cặp bánh răng (Torque Split), trong hộp số Vario, đầu vào của biến tốc thủy lực được nối với động cơ diesel qua bộ truyền hành tinh. Nguyên lý này được gọi là phân nhánh vận tốc (Speed Split). Cần dẫn

quay cùng trục động cơ, công suất cơ khí được truyền qua bánh răng mặt trời. Việc nhập dòng được thực hiện đơn giản nhờ một cặp bánh răng trên trục động cơ thủy lực và trục bánh răng mặt trời (Hình 2.14). Hộp số đồng bộ kế tiếp tạo

thành hai vùng vận tốc làm việc. Khi máy kéo làm việc trên đồng có thể lựa chọn vận tốc từ -24km/h đến +32km/h còn khi vận chuyển trên đường từ -32km/h đến +50km/h. Khi chạy hết cả hai vùng từ 0 đến vận tốc cực đại vmax, công suất thủy lực giảm từ 100% đến 0%.

Nguồn: Hollader (1996)

Hình 2.14. Hộp số phân nhánh công suất trên máy kéo Fendt

Khi khởi hành hộp số làm việc hoàn toàn thủy lực, có nghĩa là bơm dẫn

động từ động cơ diesel được điều khiển truyền chuyển động cho các động cơ

đang có thể tích cực đại. Nhờ tăng thể tích làm việc của bơm, số vòng quay của

trục nhập dòng và của bánh răng mặt trời tăng lên. Do đó công suất của động cơ

diesel không còn chỉ truyền qua nhánh thủy lực mà tăng mức độ truyền qua bánh

răng mặt trời trong nhánh cơ khí. Trước khi bơm được điều khiển đến góc lắc

cực đại các động cơ bắt đầu được điều khiển về 0, do đó số vòng quay tiếp tục

tăng lên. Khi động cơ ở trạng thái góc lắc bằng 0, bơm sẽ bị hãm cứng (vành

răng bị hãm cứng) và hộp số sẽ làm việc hoàn toàn bằng cơ khí với vận tốc cao

nhất. Sự thay đổi của việc truyền công suất từ hoàn toàn thủy lực sang hoàn toàn

cơ khí có dạng tuyến tính trên toàn vùng vận tốc (Hình 2.15). Khi bơm đứng im ở trạng thái góc lắc 0o còn các động cơ ở góc lắc cực đại, nhờ đó ngăn ngừa sự quay không bộ truyền hành tinh. Để chuyển động lùi cần điều khiển góc lắc từ 0o

theo hướng ngược lại.

Đặc điểm kỹ thuật của hộp số Fendt (Skirde & Gigling, 1996):

- Thích ứng vô cấp với vận tốc chuyển động và công suất theo yêu cầu sử dụng;

- Hiệu suất cao trong vùng làm việc chính, có thể so sánh với hộp số sang

số dưới tải;

- Công suất hao tổn nhỏ khi vận tốc chuyển động lớn;

- Độ ồn có thể giảm nhờ tối ưu hóa kết cấu;

- Kết cấu hệ thống điều khiển đơn giản, khi làm việc không cần sang số;

- Chi phí cho phần hộp số cơ khí nhỏ do không cần nhiều cấp số truyền.

Nguồn: Skirde & Gigling (1996)

Hình 2.15. Phân bổ công suất theo vận tốc chuyển động

Nhờ kết cấu và điều khiển đơn giản nên hộp số Fendt Vario rất ít lỗi hoạt

động. Mẫu hộp số Serie 400 và 700 về cơ bản tương đương với Serie 900 chỉ

khác là thay vì sử dụng 2 động cơ thủy lực, trên các loại kết cấu nhỏ hơn chỉ sử

dụng một động cơ. Bộ biến tốc thủy tĩnh được phát triển tại Saue Sundstrand với bơm 65cm3/vòng và động cơ là 117cm3/vòng. Trong Serie 800 và 900 giới thiệu

mẫu điều khiển mới (Hӧnẻ, 2013). Từ 2003 Serie 800 được chế tạo trên Serie

7400 Dynavt của máy kéo MF.

b. Hộp số ZF – Matic

Hộp số ZF – Matic là phát triển nhảy bậc của kỹ thuật truyền lực Steyr, tiếp

nhận từ hãng ZF nên cũng được ZF tiêu thụ. Hộp số được thiết kế với 4 vùng vận

tốc chuyển động. Tuy nhiên các vùng chuyển động không được chuyển mạch

nhờ các phần tử hành tinh và các ly hợp đĩa mà nhờ các cấp bánh răng và khớp

vấu. Steyer phát triển hộp số ở dạng mô đun hóa, không chỉ sử dụng cho máy kéo

mà còn cho máy xây dựng và xe chuyên dụng.

c. Hộp số ZF – Ecom

Việc đảo chiều chuyển động trong hộp số ZF - Ecom được thực hiện nhờ ly hợp đảo chiều bố trí tại trục ra của hộp số các vùng vận tốc chuyển động khác nhau được thực hiện bởi 4 ly hợp đĩa và một phanh đĩa trong một bộ hành tinh đa

cấp. Việc truyền thông tin từ động cơ, hộp số và phần tử chấp hành được thực hiện qua CAN – BUS (Pohlenz, 2002). Sự phát triển chiến lược chuyển động của máy kéo theo mục đích sử dụng máy kéo đơn giản nhất có thể cũng đã được giới

thiệu trong (Alarico, 2011). Chiến lược chuyển động cần điều khiển động cơ và hộp số sao cho có thể sử dụng công suất yêu cầu trong mọi tình trạng thực tế là kinh tế nhất. Tác giả cũng kết luận rằng, có yêu cầu cao về phát triển phần mềm cho điều khiển tự động động cơ và hộp số tại các trạng thái và phương án chuyển động khác nhau từ 2001. Ecom được chế tạo hàng loạt bởi Deutz Fahr trong serie Agrotottv và bởi John Deer trong serie JDeer 6020 (Renius, 2003).

d. Hộp số JD Auto Powr

Tại hội chợ Agritechnika 2001, John Deer giới thiệu loại kết cấu mới cho serie 7010 (Renius, 2003). Cũng như Fendt, hộp số này sử dụng 2 máy hướng trục của Sauer Danfoss, bơm có VPmax 160cm3/vòng. Động cơ không đổi thể tích làm việc được cấp dầu bởi bơm có góc lắc ± 450. Hộp số Auto Powr (118 - 129kW) được phát triển tại Waterloo USA và có 2 vùng vận tốc cơ khí. Việc chuyển số giữa 2 vùng được thực hiện tự động dưới tải trọng nhờ ly hợp đĩa. Việc điều khiển hộp số và nhận tín hiệu chuyển động được thực hiện bởi 2 thiết bị điện tử. Sơ đồ kết cấu hộp số được giới thiệu trên Hình 2.16.

Công suất động cơ được phân nhánh nhờ cặp bánh răng và nhập dòng nhờ

bộ truyền hành tinh phân cấp. Đơn nguyên thủy lực dẫn động vành răng H1 và phần cơ khí được dẫn qua trục sơ cấp hộp số đến bánh răng mặt trời S1. Tại mô đun công suất 0 - ly hợp chạy chậm đóng - không phụ thuộc số vòng quay động cơ, vận tốc tiếp tuyến của bánh răng mặt trời S1 có giá trị như của vành răng H1 nhưng có chiều ngược lại. Nhờ đó các bánh răng hành tinh (P1 - P3) và trục thứ cấp đứng yên. Khi giảm góc lắc của bơm, vành răng quay chậm lại. Bánh răng hành tinh kép P1 bắt đầu quay giữa bánh răng mặt trời và vành răng. Cần dẫn (P1 - P3) và trục thứ cấp bắt đầu chuyển động. Số vòng quay thứ cấp càng tăng khi vành răng quay càng chậm.

Nguồn: Renius (2003)

Hình 2.16. Sơ đồ hộp số JD AutoPowr

Hộp số có vị trí giữa vùng vận tốc chậm nếu vành răng H1 đứng im. Trục thứ cấp đạt số vòng quay cực đại trong vùng này nếu bơm thủy lực được điều khiển góc lắc cực đại theo hướng ngược lại, do đó vành răng quay cùng chiều với bánh răng mặt trời S1. Nếu muốn tiếp tục tăng số vòng quay cần mở ly hợp KL và đóng ly hợp chuyển động nhanh KS. Thay vì cần dẫn (P1 - P3), tại thời điểm này đầu ra của S2 được nối với trục thứ cấp. Việc chuyển số hoàn toàn tự do vì cả hai đĩa ly hợp cùng được lắp chung một vỏ và quay nhanh như nhau. Việc tăng số vòng quay thứ cấp đạt được bằng cách giảm số vòng quay vành răng H1. Nhờ các bánh răng hành tinh (P1, P2) quay nhanh hơn làm cho bánh răng mặt trời S2 cũng quay nhanh hơn. Sau khi góc lắc về 0 vành răng quay lại theo chiều quay ban đầu. Số vòng quay trục thứ cấp đạt cực đại nếu số vòng quay của đơn nguyên thủy lực đạt cực đại. Vận tốc chuyển động khó đạt cực đại trước khi số vòng quay của đơn nguyên thủy lực đạt cực đại. Độ lệch này được sử dụng để giới hạn

vận tốc cực đại khi số vòng quay động cơ nhỏ. Bằng cách đó vận tốc lớn nhất có thể đạt 50 km/h tại số vòng quay 1740 vòng/phút.

Gần đây, hộp số vô cấp kiểu phân nhánh công suất đã bắt đầu được sử dụng

trong ngành công nghiệp ô tô cũng như trong máy kéo nông nghiệp. Một số các

công trình nghiên cứu (Renius, 1999; Renius và Resch, 2005) đã giải thích và

nhận xét về hộp số phân nhánh công suất trên máy kéo cỡ lớn và đã nghiên cứu

dòng công suất và hiệu suất của hộp số trong các điều kiện hoạt động khác nhau

(Shellenberger, 1999; Mangialardi và Mantriota, 1999). Đối với các hộp số

thương mại, bởi vì những hộp số có bộ truyền hành tinh phân chia có phần tử

thủy tĩnh phức tạp hơn nhiều.

2.3.7. Nhận xét chung

Tổng hợp các nghiên cứu về phát triển HSPNCS cho máy kéo trong nước

và trên thế giới, có thể thấy hai vấn đề chính:

- Trên thế giới đã hình thành xu hướng phát triển hộp số vô cấp, đặc biệt là

HSPNCS. Hiện nay HSPNCS đã được thương mại hóa, sản xuất hàng loạt sử

dụng cho máy kéo cỡ lớn (hơn 60 kW). Đây chính là cơ sở lý thuyết để có thể

tham khảo về cấu hình và chiến lược điều khiển để phát triển cho hộp số phân

nhánh công suất trên các máy kéo vừa và nhỏ ở nước ta.

- Ở Việt Nam, các hệ thống truyền lực cơ khí thông thường chưa có thể lựa

chọn vô cấp tỷ số truyền nên bị hạn chế trong việc xác định được điểm làm việc tối

ưu. Về nghiên cứu truyền động vô cấp ở Việt Nam cũng mới được hình thành và

có kết quả bước đầu cho máy kéo cỡ nhỏ công suất dưới 20 kW (15 mã lực) và

sử dụng hộp số vô cấp cơ khí. Đối với nhóm máy kéo mục tiêu cỡ công suất 30

÷50 mã lực cần nghiên cứu phát triển HSPNCS có cấu hình phù hợp, giá thành

hợp lý đáp ứng yêu cầu của hộp số máy kéo hiện đại.

2.4. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN

Xuất phát từ những phân tích ở trên, nội dung nghiên cứu của luận án gồm

các phần chính như sau:

- Phần 2: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: trong đó trình bày các nghiên

cứu tổng quan về tình hình phát triển máy kéo cỡ vừa và nhỏ, tình hình nghiên

cứu phát triển trong nước và thế giới liên quan đến truyền động vô cấp nói chung

và HSPNCS thủy tĩnh cho máy nông nghiệp.

- Phần 3: Phương pháp nghiên cứu: trình bày khái quát hóa phương pháp

mô hình hóa và mô phỏng và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

- Phần 4: Kết quả nghiên cứu. Trong đó được chia thành 2 nội dung chính: Một là, nghiên cứu HSPNCS thủy tĩnh sử dụng cho máy kéo nông nghiệp. Trong đó sẽ trình bày cụ thể các nội dung phân tích lựa chọn cấu hình cho HSPNCS, mô phỏng HSPNCS và thí nghiệm đánh giá khả năng hoạt động và hiệu suất của HSPNCS. Hai là, nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo nông nghiệp sử dụng hộp số phân nhánh công suất. Trong nội dung này sẽ trình bày các nghiên cứu phát triển HSPNCS cho máy kéo, bao gồm xác định kết cấu của HTTL của máy kéo sử dụng HSPNCS, mô phỏng và khảo sát một số chế độ động lực học và điều khiển của máy kéo sử dụng HSPNCS. Từ các kết quả nghiên cứu, đề xuất hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền để nâng cao hiệu suất sử dụng của động cơ.

- Kết luận và kiến nghị.

TÓM TẮT PHẦN 2

Trên cơ sở phân tích tổng quan về tình hình cơ giới hóa và sử dụng máy kéo

nông nghiệp ở Việt Nam, tình hình nghiên cứu phát triển hộp số và xu hướng phát triển hộp số máy kéo hiện đại có thể luận giải về mục tiêu của luận án và đề xuất hướng giải quyết như sau:

- Để phục vụ sản xuất nông nghiệp quy mô nhỏ, các cơ quan nghiên cứu và

phát triển máy kéo ở Việt Nam mới sản xuất được máy kéo đẩy tay và máy kéo 4 bánh 24 mã lực với khoảng 30% thị phần trong nước. Trong thời kỳ đổi mới hiện đại hóa nông nghiệp, nông thôn, cần tập trung phát triển máy kéo có dãy công suất 30 ÷ 50 mã lực.

- Các máy kéo sản xuất trong nước hoặc nhập ngoại đang được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam đều được trang bị hệ thống truyền lực phân cấp cơ khí với 6 ÷ 9 số truyền. Nhược điểm cơ bản là phải ngắt dòng lực

gây va đập khi sang số, đảo chiều và khó điều khiển để tìm được điểm làm việc tối ưu, sử dụng hết công suất động cơ khi máy kéo thực hiện các công việc khác nhau trong sản xuất nông nghiệp.

- Trên thế giới đã hình thành xu hướng phát triển hộp số vô cấp, đặc biệt là HSPNCS. Hiện nay HSPNCS đã được thương mại hóa, sản xuất hàng loạt sử dụng cho máy kéo cỡ lớn (hơn 60 kW). Mẫu HSPNCS của Fend Vario có kết cấu đơn giản, ít lỗi hoạt động do số lượng chi tiết nhỏ, tỷ lệ truyền công suất từ thủy

lực sang cơ khí thay đổi tuyến tính trên toàn vùng vận tốc là gợi ý quan trọng về cấu hình và chiến lược điều khiển để phát triển HSPNCS trên các máy kéo vừa và nhỏ ở nước ta.

- Ở Việt Nam, truyền động vô cấp cũng mới được nghiên cứu và có kết quả bước đầu cho máy kéo cỡ nhỏ cải tiến từ máy kéo đẩy tay công suất dưới 20 kW và sử dụng hộp số vô cấp cơ khí. Đối với nhóm máy kéo mục tiêu cỡ công suất 30 ÷50 mã lực cần nghiên cứu phát triển HSPNCS có cấu hình phù hợp, giá thành hợp lý đáp ứng yêu cầu của hộp số máy kéo hiện đại.

Trước tình hình trên, đề tài “Nghiên cứu truyền động vô cấp sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh trên máy kéo nông nghiệp” xuất phát từ nhu cầu

của thực tiễn sản xuất, đáp ứng trực tiếp những đòi hỏi của ngành công nghiệp máy kéo và sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam.

PHẦN 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KỸ THUẬT

3.1.1. Khái niệm chung về phương pháp

Trong thực tế các hệ thống kỹ thuật cần được phân tích, đánh giá theo các

tính chất và các tiêu chí khác nhau. Việc phân tích hệ thống thường được thực

hiện nhờ các hệ thống trợ giúp thích hợp là các mô hình kỹ thuật số và mô hình

thực nghiệm (Bùi Hải Triều & cs., 2015).

Hai phương pháp này luôn cạnh tranh lẫn nhau nhưng cũng bổ sung tốt cho

nhau. Mô hình cần mô tả hệ thống một cách chính xác nhất có thể, điều này được

gọi là độ tin cậy của mô hình. Nhờ năng lực của máy tính ngày càng nhanh, các

phần mềm trợ giúp ngày càng tốt hơn và cũng do chi phí thí nghiệm thường khá

lớn nên mô phỏng thực nghiệm có phần nào ít được quan tâm hơn. Ý nghĩa của

mô phỏng thực nghiệm thể hiện ở chỗ nó luôn là một hệ thống thực và gần giống

với hệ thống thực mà nó cần mô tả. Mặt khác mô hình thực nghiệm thường bổ

sung cho mô hình kỹ thuật số các số liệu đầu vào, mà thiếu các số liệu này thì mô

hình kỹ thuật số sẽ trở lên vô nghĩa, không hoạt động được.

Khi xây dựng mô hình, vấn đề trọng tâm được đặt ra là độ tin cậy của mô

hình. Việc mô tả chính xác hoàn thiện một hệ thống kỹ thuật thường là không thể

và cũng không cần thiết mà cần làm rõ những vấn đề sau đây:

- Mô hình cần đạt đến độ tin cậy như thế nào?

- Mô hình có thể đạt đến độ tin cậy như thế nào?

- Có thể kiểm tra độ tin cậy của mô hình như thế nào?

Năng lực của phần mềm là yếu tố quyết định trong việc xây dựng mô hình.

Phần mềm không chỉ cần có khả năng thực hiện các phép tính của mô hình mà

còn cần khả năng biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị và các dạng biểu thị sinh

động khác.

Những ưu điểm lớn nhất khi sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô

phỏng hệ thống kỹ thuật là làm tăng chất lượng thiết kế, giảm thời gian thiết kế,

giảm chi phí thiết kế, trợ giúp quyết định cho việc thiết kế và rút ngắn giai đoạn

thử nghiệm sản phẩm.

Ngày nay việc thiết kế hệ thống kỹ thuật cơ bản đã được thực hiện trước khi chế tạo mẫu. Nhờ các phương pháp mô phỏng khác nhau trong giai đoạn quy hoạch và thiết kế mà đã có hình ảnh cụ thể về hệ thống mới thiết kế trước khi chế tạo các bộ phận đầu tiên.

Kỹ thuật mô phỏng và thí nghiệm

Thí nghiệm trên mẫu

Mô phỏng trên máy tính

Thí nghiệm thực

Thí nghiệm trên bệ thử

Mô phỏng trên máy tính số

Mô phỏng trên máy tính tương tự

Mô phỏng đã trở thành một phương tiện thiết kế để xác định sớm các tính chất của một máy, một hệ thống máy hoặc một quá trình kỹ thuật nào đó và cũng để hoàn thành sớm việc tối ưu hóa. Theo mục đích nghiên cứu, thí dụ nghiên cứu tính chất bền cơ học của các bộ phận hoặc là tối ưu hóa hoạt động của các bộ phận mà có thể sử dụng phương pháp mô phỏng rất khác nhau. Phương pháp được sử dụng trước đây là thử nghiệm và tìm lỗi (trial and error) thực hiện bằng con đường thực nghiệm trên các hệ thống mẫu, do đó chi phí thử nghiệm tối ưu hóa sản phẩm quá lớn dẫn đến giá thành sản phẩm cao nên hiện nay không phù hợp. Các phương pháp mô phỏng và thí nghiệm ứng dụng trong nghiên cứu thiết kế các hệ thống kỹ thuật được hệ thống hóa theo hình 3.1.

Hình 3.1. Các phương pháp mô phỏng và thí nghiệm

Loại hình đơn giản nhất là mô phỏng thực khi đó việc mô phỏng được thực

hiện nhờ một mô hình thực tế tương thích với các định luật đồng dạng theo một tỷ lệ nào đó để mô tả thiết bị nguyên bản.

Trường hợp đặc biệt là mô hình đồng dạng tỷ lệ 1:1 mô phỏng các điều kiện

biên. Sự đa dạng của mô hình thay đổi theo mỗi ứng dụng của nó, từ mô hình lớn hơn đến mô hình có tỷ lệ nhỏ hơn nguyên bản.

Trong nhiều trường hợp xây dựng mô hình theo tỷ lệ 1:1 rất tốn kém hoặc chỉ cần nghiên cứu nhóm kết cấu riêng là đủ (Thí dụ máy kéo chỉ cần nghiên cứu

động cơ, hộp số hay ly hợp). Khi đó có thể mô phỏng trên bệ thử một chi tiết xác

định hay một nhóm kết cấu xác định theo những chu kỳ hoạt động nhất định để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Kết quả mô phỏng là chu kỳ tuổi thọ, tải trọng cực đại và tác động qua lại với các chi tiết liên kết.

Nhược điểm của mô phỏng trên bệ thử và mô phỏng thực là do thiếu các ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác, các thông số ảnh hưởng không được nghiên cứu đầy đủ nên khó có thể nghiên cứu các thông số kết cấu của hệ thống.

Mô phỏng trên máy tính analog là mô hình hóa các đại lượng cơ học bằng đại lượng điện trên một máy tính analog ở dạng mô hình điện toán giải tích. Đặc điểm của mô phỏng analog là liên tục theo thời gian và hoạt động với thời gian thực. Các đại lượng cơ học như quãng đường, góc xoay được mô phỏng thành các đại lượng điện như điện áp, dòng điện. Các phương trình vi phân mô tả hệ thống cơ học có dạng ở mô hình điện thay thế. Nhược điểm của phương pháp này chính là sự phụ thuộc nhiệt độ, có nghĩa là sự thay đổi tính chất của các bộ phận điện tử theo nhiệt độ và mức độ rung động của máy tính analog. Do có sự phát triển mạnh của máy tính số vào các lĩnh vực của khoa học cộng nghệ và sản xuất nên mô phỏng analog hiện còn rất ít được áp dụng.

Mô phỏng kỹ thuật số hoặc đơn giản hơn là mô phỏng số (mô phỏng

digital) là mô hình hóa một hệ thống kỹ thuật bằng lập trình toán số. Đặc điểm của mô phỏng số là gián đoạn theo thời gian và được xử lý tương đương liên tục theo thời gian. Việc mô phỏng theo thời gian thực có thể có thể được thực hiện nhờ máy tính quá trình. Hiện nay trong lĩnh vực kỹ thuật hầu như chỉ sử dụng mô

phỏng số do khả năng hoạt động của máy tính số hiện đại ngày càng cao hơn, đồng thời giả cả của phần cứng ngày càng giảm xuống. Một ưu điểm nữa so với mô phỏng của analog là tính linh hoạt cao trong khả năng lập trình.

Khi mô phỏng số cần phân biệt rất cơ bản giữa các phương pháp toán học

để giải chính xác các phương trình vi phân và các phương pháp toán học để tính toán nghiệm của các phương trình vi phân. Hiện nay trong tất cả các trường hợp nghiên cứu người ta sử dụng phương pháp số để tính toán mô phỏng.

3.1.2. Công cụ mô phỏng

Mô hình hệ thống được xây dựng trên cơ sở quan hệ vật lý, toán học cơ bản trong kỹ thuật là các định luật cân bằng năng lượng, cân bằng vật chất, các định

luật truyền và biến đổi năng lượng… Để thực hiện mô hình hóa và mô phỏng một hệ thống kỹ thuật, có thể sử dụng 3 công cụ phổ biến sau đây:

- Phương trình vi phân và hàm truyền có giá trị như nhau, thường chỉ cần

một trong 2 công cụ để xây dựng mô hình.

- Sơ đồ khối hay lưu đồ tín hiệu để kết nối các phần tử cấu trúc cơ bản

thành một hệ thống tổng thể phức tạp. Sơ đồ khối có ưu thế là có thể biểu diễn rất

trực quan cấu trúc hệ thống.

- Máy tính và phần mềm mô phỏng là công cụ cần thiết trước hết để mô

phỏng tính chất của mô hình.

Đối với các hệ thống lớn, phức tạp hoặc có chứa các phần tử phi tuyến.

Việc tính toán bằng tay, thí dụ theo hàm truyền sẽ có chi phí rất lớn, có thể không

thực hiện được hoặc kết quả tính toán không đủ chính xác.

Lập phương trình tự do, thường để mô phỏng các quá trình hoặc phần tử

đơn lẻ ít phức tạp, để giải các phương trình đại số, phân tích số, giải phương trình

vi phân bằng số theo các phương pháp quen biết như pháp Newton, nội suy

Gauss, phương pháp Euler - Caudy hoặc Runghe - Kutta…

Hệ thống truyền động phân nhánh công suất thủy tĩnh được nghiên cứu

trong luận án là một hệ thống phức hợp kết nối các phần tử cơ khí và thủy lực, do

đó cần lựa chọn phần mềm mô phỏng phù hợp, có các thuật toán, các mô đun

chức năng tiêu chuẩn để giải quyết các bài toán mô phỏng cần xây dựng.

Công cụ thường được lựa chọn để giải quyết bài toán mô phỏng là các phần

mềm mô phỏng số. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm kỹ thuật đang được sử dụng

rất phổ biến trong nghiên cứu khoa học ở Việt Nam (Nastran, Matlab), có khả

năng tiếp nhận sơ đồ khối mô phỏng đã xây dựng mà hầu như không phải thay

đổi cấu trúc mô hình.

Đặc điểm chung của các phần mềm mô phỏng số hiện nay là giao diện trực

quan cùng với lợi thế trong kỹ thuật lập trình, đáp ứng được các vấn đề kỹ thuật

hết sức đa dạng, từ lĩnh vực kỹ thuật như điện, điện tử, điều khiển tự động, robot

công nghiệp đến các lĩnh vực xử lý toán học chuyên dụng như thống kê, kế toán.

Cơ sở của các phần mềm là tập hợp các chương trình tính toán bằng số, kết nối

phân tích số, tính toán ma trận và biểu diễn đồ thị. Mô phỏng số cho khả năng

chuyển đổi rất nhiều vấn đề số thành ngôn ngữ đơn giản trong một thời gian ngắn

và đánh giá ngay lập tức ở dạng đồ thị hoặc bảng số liệu. Ngoài ra, những phần

mềm hiện đại còn có khả năng xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách linh động

đơn giản và chính xác trong không gian hai hoặc ba chiều, giúp người sử dụng có

thể quan sát trực quan và đưa ra phương pháp giải tốt nhất.

Trong công nghiệp, các phần mềm mô phỏng số chuyên dụng cũng đã được

chuyên nghiệp hóa vào từng mảng ứng dụng trong nghiên cứu thiết kế, giải quyết

các vấn đề cơ học và toán học thực tế. Lĩnh vực tiêu biểu là toán học số tổng

quát, tính toán phân tích mẫu thử và giải quyết những vấn đề nghiên cứu nhờ

biểu diễn ma trận xuất hiện trong thực tế như xử lý tín hiệu tĩnh học và động lực

học, nghiên cứu các hệ thống động lực học và tính toán các bài toán không giải

được bằng giải tích.

Bảng 3.1. Các khối chức năng thông dụng được sử dụng trong mô phỏng số

Tên khối

Biểu diễn

Tích phân

Khuếch đại

Nhân

Cộng

Tính theo hàm số

Nội suy theo đặc tính cho trước

Hiện nay, việc phát triển phần mềm mô phỏng số trở lên đặc biệt thích hợp

khi sử dụng các mô đun gọi là các Toolbox. Các lĩnh vực sử dụng Toolbox là mô

phỏng các hệ thống động lực học, xử lý tín hiệu, phác thảo mạch điều khiển tự

động, nhận dạng. Các Toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng, là một loại công cụ

mạnh để mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kỹ thuật, vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu

trúc dạng khối. Chúng cũng có khả năng thiết lập mô hình động lực học phức

hợp cũng như mô phỏng các phương án tham số ngay cả khi đang tiến hành mô

phỏng. Với các khối chức năng quen thuộc, hầu hết các phần mềm mô phỏng đều

cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú có sẵn với số lượng lớn

các khối chức năng cho các hệ thống tuyến tính, phi tuyến hoặc rời rạc. Hơn nữa

người sử dụng còn có thể tạo các khối chức năng cho riêng mình, cũng như khả

năng nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lý, sau đó phản hồi tín hiệu trở lại để

điều khiển đối tượng. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sử dụng mô phỏng số để

xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động theo thời gian thực. Một số khối chức

năng thường sử dụng trong xây dựng sơ đồ thuật toán giải mô phỏng số các hệ

thống động lực được trình bày trong bảng 3.1.

3.2. PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CÁC PHẦN TỬ

THỦY LỰC

3.2.1. Phương pháp mô tả tính chất cản dòng, dung kháng và cảm kháng thủy lực trong mạch truyền động thủy tĩnh

Mô hình hóa tính chất động lực học của các thành phần hoặc mạch

truyền động thủy lực yêu cầu xét đến các thông số tĩnh học, tính chất nén thể

tích hay còn gọi là dung kháng và tính chất quán tính dòng khối lượng hay còn

gọi là cảm kháng thủy lực (Bùi Hải Triều & cs., 2015). Việc nghiên cứu động

lực học thường được thực hiện trên cơ sở sơ đồ khối kết nối các phần tử thủy

lực đã được mô hình hóa, sau đó có thể xử lý đơn giản trong các chương trình

mô phỏng.

Sơ đồ khối tuyến tính chỉ bao gồm một vài phần tử cơ bản: Mũi tên, phần tử

truyền là các khối, các vị trí phân nhánh và tổng hợp. Trong bảng 3.2 trình bày

các quan hệ cơ bản nhất và biểu diễn sơ đồ tương ứng. Mũi tên biểu diễn đại

lượng vật lý và hướng tác động, các khối chứa các đại lượng vật lý trung gian.

Các quan hệ phi tuyến được biểu diễn bởi các vị trí đa hợp và các khối có

các đường cong hoặc có các chỉ dẫn phi tuyến trong một khối.

Trong sơ đồ khối cần có các vị trí phân nhánh nếu các đại lượng vật lý tác

động đến nhiều hơn một phần tử truyền. Các vị trí tổng hợp đảm nhận việc biểu

diễn các phương trình vi phân, trước hết là các phương trình cân bằng đến hoặc ở

trong một phần tử tích lũy năng lượng. Trong mạch truyền động thủy lực là các

phương trình cân bằng lực (hoặc quay hoặc tịnh tiến) hoặc cân bằng lưu lượng.

Bảng 3.2. Biểu diễn sơ đồ khối các phần tử thủy lực cơ bản

Biểu diễn

Quan hệ phi tuyến

Biểu diễn

Quan hệ tuyến tính

Lực do áp suất:

Q K A



 p

Dr Dr

Fi = Aipi

(ADr thay đổi, p>0)

Lưu lượng:

& Q A s i

Q K A



 p

Dr Dr

Lực quán tính: BF ms &&

(ADr = const; p > 0)

 Q G



p sign p

 )

(

(GDr: hệ số dẫn dòng,

Lực ma sát tỷ thuận với lệ vận tốc:

p đổi dấu

Ks &

RPF

Lực ma sát Coulom:

kháng

Dung thủy lực:



& F sign s ( )

& p i

Q gi

1 V i

Cân bằng lực hoặc mô men thường được biểu diễn dưới dạng

(3.1) FB = ∑ Ftác dụng; MB = ∑ Mtác dụng

Trong đó FB, MB là lực hoặc mô men quán tính của khối lượng chuyển động. Các lực và mô men tác dụng được tạo ra từ áp suất, từ lực, mô men tải trọng (có thể đổi dấu) và lực ma sát (luôn có dấu âm)

Cân bằng lưu lượng có thể được biểu diễn dưới dạng sau:

(3.2) Qtích lũy = ∑ Qvào - ∑ Qra

Lưu lượng tích lũy là Qgi trong công thức trên bảng 3.1 có tác động làm

thay đổi áp suất hệ thống và tỷ lệ thuận với dp/dt.

3.2.2. Phương pháp mô phỏng các mạch truyền động tĩnh cơ bản

Tùy theo mục đích và không gian lắp đặt bộ truyền mà có thể lựa chọn

phương án truyền động theo mạch hở hay mạch kín.

3.2.2.1. Mô phỏng mạch hở

Mạch truyền động thủy tĩnh dạng mạch hở đơn giản nhất bao gồm một bơm

và một động cơ thủy lực không thay đổi được thể tích làm việc (Hình 3.2). Để

điều khiển số vòng quay của phụ tải (động cơ thủy lực) có thể thay đổi số vòng

quay trục bơm hoặc sử dụng van tiết lưu điều khiển được.

Hình 3.2. Sơ đồ truyền động thủy tĩnh mạch hở

Phương trình vi phân chuyển động của bộ truyền thủy tĩnh được xây dựng

M M M



;

Q Q Q





trên cơ sở các phương trình cân bằng mô men và cân bằng lưu lượng.

&   J M

Q M



(3.3)

V p M  2

là mô men động cơ; MR là mô men ma sát và ML là Trong đó

mô men tải trọng; QP = nP.VP là lưu lượng từ bơm; QVD = KDr ADr là lưu lượng

qua van tiết lưu; Qg là lưu lượng tích lũy khi nén thể tich dầu trong hệ thống.

Sơ đồ khối mô phỏng mạch truyền động hở được trình bày trên hình 3.3.

Hình 3.3. Sơ đồ khối mô phỏng bộ truyền thủy tĩnh mạch hở

3.2.2.2. Mô phỏng mạch kín

Nguồn: Will & cs. (1999)

Hình 3.4. Sơ đồ mạch kín truyền động và điều khiển thủy tĩnh

Bộ truyền thủy tĩnh mạch kín thường sử dụng làm hộp số thủy tĩnh cho các thiết bị di động. Để thỏa mãn các yêu cầu về truyền lực và điều khiển cho thiết bị di động cần có những kết cấu phụ rất phức tạp. Trong phần này NCS trình bày phương pháp mô phỏng một bộ truyền động đơn giản nhất, vận tốc

phụ tải thay đổi nhờ điều khiển phối hợp thể tích làm việc của bơm và động cơ thủy lực (Hình 3.4).

Thể tích làm việc của bơm và động cơ (VP, VM) được điều khiển bằng cách thay đổi góc lắc nhờ xy lanh tự động điều khiển vị trí. Trong trường hợp tổng quát việc điều khiển vị trí được thực hiện bởi các van tùy động hoặc van tỷ lệ phối hợp với cảm biến vị trí.

Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống điều khiển phi tuyến cả bơm và động cơ

thủy lực (H.3.5a) và điều khiển tuyến tính hóa thể tích bơm (Hình 3.5b).

Hệ phương trình vi phân của bộ truyền cũng có dạng tương tự với bộ truyền mạch hở.Trong sơ đồ mạch tuyến tính hóa (Hình 3.5b) giả thiết: nM = const và nP = const, có thể viết hàm truyền điều khiển tuyến tính như sau:





P .

 1 2.

2 T p

p ( ) n M U p S

K K n 1 . . P P 1 *  1 T p V P M

1 . D T P

(3.4)



;

* V M

V M 2 

)

1 * V M

. . . J V V  A B ;  V V A B

K * V 2 M

. . V V  B A  J V V ( A B

với (3.5)

Để điều khiển bộ truyền thủy tĩnh thí nghiệm có thể lựa chọn sơ đồ điều

khiển xung (PWM) (Will & cs., 1999).

Hình 3.5. Sơ đồ khối mô phỏng mạch điều khiển truyền động thủy tĩnh dạng mạch kín

3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.3.1. Phương pháp phân tích hiệu suất hộp số bằng thực nghiệm

Phương pháp phân tích hiệu suất hộp số bằng thực nghiệm để xác định

chính xác hiệu suất cần phải nghiên cứu trong phòng thí nghiệm bằng cách đo

trực tiếp công suất hao tổn hoặc xác định gián tiếp công suất vào và công suất ra

của hộp số. Các phương pháp khác nhau để xác định hao tổn công suất truyền lực

được Thiel nghiên cứu và công bố (Thiel, 1983). Đối với các phương pháp gián

tiếp, công suất vào và ra khỏi hộp số được xác định trên bệ thử và từ đó tính toán

hiệu suất. Đa số các bệ thử làm việc theo phương pháp truyền năng lượng.

Các bệ thử để xác định trực tiếp hao tổn công suất sử dụng phương pháp

nhiệt (đo nhiệt lượng tỏa ra) hoặc phương pháp lưu chuyển năng lượng khép kín.

Tại phương pháp thứ 2 trục vào hoặc trục ra của hai hộp số được nối cứng với

nhau. Tải trọng tạo ra nhờ một thiết bị kéo. Nhược điểm của phương án này là

hai hộp số có trạng thái hoạt động theo hướng tải trọng và ma sát khác nhau dẫn

đến cần thiết bổ sung các bộ phận phụ trợ có hao tổn công suất, do đó độ chính

xác của việc xác định hiệu suất đối với mỗi hộp số riêng biệt không được như ý.

Khi hiệu suất cao (≥ 95%), sử dụng phương pháp trực tiếp đo công suất hao

tổn để thuận lợi hơn phương pháp gián tiếp đo công suất vào ra, do việc đo sai

lệch công suất quá nhỏ với độ chính xác của kỹ thuật đo hiện tại sẽ dẫn đến sai số

lớn. Theo Heribert (Heribert, 1990), sai số xác định hiệu suất sẽ tương đương khi

hiệu suất bộ truyền nằm ở khoảng 78% = 91%. Khoảng hiệu suất này phù hợp

với khoảng hiệu suất dự đoán của hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh (Thiel,

1983). Do đó luận án lựa chọn phương pháp xác định hiệu suất hộp số phân

nhánh công suất thủy tĩnh bằng cách đo công suất vào và công suất ra trên bệ thử.

Để phân tích ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến hiệu suất của hộp

số người ta thay đổi riêng từng thông số. Do đó, để có cơ sở so sánh chung cần

thống nhất các điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn.

- Mô men và số vòng quay tại trục sơ cấp.

Hai thông số này ảnh hưởng rất mạnh đến hiệu suất hộp số. Đối với tất cả

các thí nghiệm, mô men và số vòng quay được cho trước trên đặc tính động cơ.

- Tính chất dầu bôi trơn và dầu thủy lực.

Dầu bôi trơn và dầu thủy lực là dầu tiêu chuẩn và được giữ không đổi nhiệt

độ 60 ± 20C

- Tham số ảnh hưởng nghiên cứu là tỷ số truyền.

Thay đổi tỷ số truyền làm thay đổi trong hộp số 2 thông số quan trọng là tải

trọng và số vòng quay. Cần thay đổi tỷ số truyền từ nhỏ nhất đến lớn nhất, tuy nhiên hiệu suất tại các số truyền nhỏ có thể chỉ đo ở vùng tải trọng cục bộ.

3.3.2. Phương pháp thí nghiệm động lực học hộp số

Thí nghiệm động lực học để đánh giá tính chất đáp ứng của hệ thống truyền lực cũng như các phần tử truyền của hệ thống như đông cơ truyền lực, hộp số và tải trọng.

Các trạng thái động lực học được xây dựng trong thí nghiệm bằng cách thay đổi nhanh các trạng thái cân bằng tĩnh tại các điểm làm việc. Tương ứng trong hoạt động thực tế là sự thay đổi tải trọng (nhiễu tải trọng), thay đổi mức ga (tín

hiệu điều khiển động lực), thay đổi số truyền (tín hiệu điều khiển biến đổi dòng năng lượng). Dạng tín hiệu nhiễu hoặc điều khiển đơn giản và thường dùng để

đánh giá động lực học của một phần tử truyền hay của cả hệ thống là tín hiệu dạng bậc hay dạng xung.

Kết quả thí nghiệm cần được trình bày ở dạng đồ thị đáp ứng theo thời gian

của các thông số nghiên cứu.

3.3.3. Phương pháp tạo tải cho thí nghiệm hộp số

Tại các cơ sở nghiên cứu hiện đại để nghiên cứu hộp số người ta thường sử

dụng động cơ điện điều khiển điện tử làm động cơ truyền lực đầu vào và một

thiết bị phanh điện kiểu dòng điện xoáy có thể đo và điều khiển các chế độ vận

tốc, tải trọng tại đầu ra của hộp số (Bùi Hải Triều & cs., 2006). Còn nếu cần

nghiên cứu cả động cơ truyền lực thì cần bố trí động cơ Diesel tương đương với

động cơ xe nghiên cứu và lựa chọn thiết bị tạo tải phù hợp. Với tiêu chí đảm bảo

hiệu quả và độ chính xác thí nghiệm với chi phí đầu tư hợp lý, luận án lựa chọn

phương án sử dụng bệ phanh công suất thủy tĩnh (hình 3.6).

Ưu điểm của bệ phanh công suất thủy tĩnh là có thể tự thiết kế, đầu tư từ

1- Bơm dầu; 2- Van tiết lưu điều khiển được; 3- Bộ làm mát dầu

các phần tử thủy lực tiêu chuẩn dễ tìm trên thị trường Việt Nam và có thể đo được các giá trị số vòng quay quá thấp với mô men quay quá cao (Bùi Hải Triều & cs, 2006). Khi mà các bệ phanh thủy động dùng nước hoặc phanh dòng điện xoáy không phù hợp để đo khoảng giá trị này.

Hình 3.6. Sơ đồ mạch thủy lực bệ thử công suất thủy tĩnh

Hộp số thí nghiệm được truyền động bởi động cơ Diesel, trục ra được kết nối với bơm thủy lực điều khiển được thể tích làm việc. Do bơm được cung cấp

cả hai chiều dòng nên có thể thí nghiệm phương án số lùi của hộp số. Công suất cơ học đầu vào hộp số được bơm chuyển thành công suất thủy lực thay đổi được theo điều khiển bơm 1 và van tiết lưu 2. Công suất thủy lực biến thành nhiệt trong van tiết lưu và tỏa ra môi trường qua bộ làm mát dầu.

3.3.4. Phương pháp đo và xử lý số liệu thực nghiệm

Để đo và thực hiện các nhiệm vụ thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất thủy

Bơm gây tải

ĐC - Động cơ truyền lực; C - Cần dẫn; R - Vành răng; S - Bánh răng mặt trời; i1 - Bộ truyền bánh răng phân nhánh; i2 - Bộ truyền bánh răng nhập dòng; ip - Bộ truyền xích gây tải trọng; P, M - Các đơn nguyên bơm/động cơ; C1, C3, C4 - Các cảm biến số vòng quay; C2 - Cảm biến mô men; C5,C6 - Cảm biến áp suất và lưu lượng gây tải; VG - Van giới hạn áp suất; Vw - Van phân phối đóng ngắt; VDr - Van tiết lưu

tĩnh có thể sử dụng hệ thống đo và xử lý số liệu theo sơ đồ dưới đây (hình 3.7).

Hình 3.7. Sơ đồ kết nối hệ thống đo và xử lý số liệu

Các thông số cần đo được xác định và chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ cảm biến, được khuyếch đại và truyền đến bộ gom tín hiệu. Các tín hiệu Analog được chuyển đổi thành Digital, các tín hiệu Digital có thể truyền trực tiếp qua

cổng A/D, từ đó truyền đến máy tính theo đường truyền tiêu chuẩn và được xử lý bằng phần mềm đo đã cài đặt trong máy tính. Kết quả xử lý có thể là các đồ thị quá trình tín hiệu theo thời gian hoặc các đồ thị hai trục hoăc ba trục giữa các thông số đo. Các phần mềm đo và điều khiển được sử dụng nhiều nhất và thuận để xử lý các bài toán kỹ thuật là DASYLAB, LABVIEW hoặc CADMAN…

Trong phần nghiên cứu thực nghiệm, luận án sẽ tiến hành thí nghiệm kiểm chứng độ tin cậy của mô hình mô phỏng lý thuyết, đánh giá hiệu suất cũng như khả năng tái tạo nguyên lý hoạt động của HSPNCS bằng bệ thử hộp số do NCS thiết kế, chế tạo phù hợp với điều kiện về công nghệ chế tạo và thiết bị đo thử nghiệm hiện có trong nước.

TÓM TẮT PHẦN 3

Hệ thống truyền động vô cấp của máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công

suất thủy tĩnh là một hệ thống phức hợp kết nối giữa các phần tử cơ khí và thủy lực. Việc nghiên cứu phát triển hệ thống, đánh giá tĩnh học và động lực học hệ thống phù hợp nhất khi sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kỹ thuật.

Phương pháp mô hình hóa các phần tử cơ học và thủy lực có thể tham khảo tại nhiều tài liệu chuyên ngành. Mô hình có thể được khảo sát linh hoạt theo các trạng thái hoạt động tĩnh học và động lực học của máy kéo bằng các phần mềm

kỹ thuật mô phỏng số thông dụng (như là MATLAB/ SIMULINK). Các thông số vào của mô hình cũng như việc đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng được thực hiện bằng thực nghiệm.

Việc đánh giá hiệu suất của hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh tại các

vùng làm việc chính của máy kéo cần thiết thực hiện bằng thực nghiệm. Để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận án sử dụng bệ thử công suất, trang bị hệ thống đo và xử lý tín hiệu hiện đại. Phần mềm đo và điều khiển thí nghiệm có thể chọn là DASYLAB.

PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

4.1. NGHIÊN CỨU HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG SUẤT THỦY TĨNH SỬ DỤNG CHO MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP

4.1.1. Lựa chọn cấu hình hộp số phân nhánh công suất và sơ đồ truyền động máy kéo 4.1.1.1 Các phương án kết cấu hộp số phân nhánh công suất

Đối với máy kéo có công suất nhỏ và vừa, hộp số cần có kết cấu gọn nhẹ, chi phí đầu tư hợp lý. Do đó phù hợp nhất là lựa chọn HSPNCS trên cơ sở bộ truyền hành tinh đơn 3 trục.

Theo cách bố trí trục vào, trục ra và trục dẫn động biến tốc thủy lực trên bộ truyền hành tinh đơn, có thể có 6 phương án kết cấu hộp số. Còn nếu phối hợp với cách bố trí vị trí nhập dòng công suất ở trục vào hoặc trục ra của bộ hành tinh thì sẽ được 12 phương án kết cấu hộp số. Để lựa chọn phù hợp với hộp số máy kéo nông nghiệp cần phân tích 12 phương án theo đặc điểm kết cấu và chiến lược điều khiển.

a. Các phương án nhập dòng tại trục vào

Sơ đồ kết cấu tổng quát của HSPNCS có vị trí nhập dòng tại trục vào được trình bày trên Hình 4.1. Bơm (P) được kết nối với trục sơ cấp của hộp số qua một cặp bánh răng. Động cơ (M) được kết nối với một trong 3 trục của bộ hành tinh.

Hình 4.1. Sơ đồ kết cấu hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục vào

Để nhận biết các cấu hình có thể sử dụng qui ước đặt tên theo chữ cái (Renius, 2003; Ramdan, 2013). Tên cấu hình HSPNCS được bắt đầu bằng chữ

cái I (Input), chữ cái thứ 2 và thứ 3 tương ứng với tên bánh răng kết nối với bộ biến tốc thủy lực và trục thứ cấp của hộp số (Bảng 4.1). Trong bảng 4.1: I là Input (trục vào), R là vành răng (Ring), C là cần dẫn (Carier), S là bánh răng mặt trời (Sun), P là bơm (Pump) và M là động cơ (Motor).

Bảng 4.1. Tổng hợp cấu hình hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục vào

Tên

Cấu hình

Trục sơ cấp

Kết nối với biến tốc (M)

Trục thứ cấp

IRC

ICR

ISR

IRS

ICS

ISC

b. Các phương án nhập dòng tại trục ra

Bảng 4.2.Tổng hợp cấu hình hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục ra

Tên

Cấu hình

Trục sơ cấp

Kết nối với biến tốc (P)

Trục thứ cấp

RCO

CRO

SRO

RSO

CSO

SCO

Sơ đồ tổng quát của HSPNCS nhập dòng trục ra được trình bày trên hình 4.2. Bộ truyền hành tinh được kết nối với trục sơ cấp, bơm (P) kết nối với một trong ba trục của bộ hành tinh, động cơ (M) nhập dòng với trục ra của hộp số. Khác với phương án nhập dòng đầu vào, chữ cái đầu tiên là ký hiệu của bánh răng kết nối với trục sơ cấp, chữ cái thứ hai là chữ cái viết tắt của bánh răng kết nối với bộ biến tốc thủy lực (dẫn động bơm (P)) và chữ cái cuối cùng để chỉ thị cho phương án nhập dòng trục ra (O: Out) (Bảng 4.2). Trong bảng 4.2, các chữ cái viết tắt bao gồm: O là Output (trục ra), R là vành răng (Ring), C là cần dẫn (Carier), S là bánh răng mặt trời (Sun), P là bơm (Pump) và M là động cơ (Motor).

Hình 4.2. Sơ đồ tổng quát hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục ra

4.1.1.2. Các chế độ phân nhánh công suất

Nếu gọi Ph là tỷ lệ giữa phần công suất thủy lực với tổng công suất vào thì phần công suất cơ khí truyền qua hộp số sẽ là: Pm = 1 - Ph. Tùy theo cách điều khiển phân chia công suất vào, HSPNCS có thể hoạt động ở 5 chế độ khác nhau.

- Chế độ phân nhánh công suất thông thường (0< Ph<1; 0< Pm<1).

Trong chế độ phân nhánh thông thường, công suất vào được phân chia thành hai dòng công suất, thủy lực và cơ khí, sau đó nhập dòng thành công suất ra khỏi hộp số. Cả hai dòng công suất đều có giá trị dương và nhỏ hơn công suất

vào. Chế độ phân nhánh thông thường phù hợp với hoạt động của máy kéo và xe chuyên dụng.

- Chế độ truyền công suất cơ khí (Ph=0, Pm = 1).

Tại chế độ này, toàn bộ công suất được truyền đến trục ra bằng cơ khí. Chế độ truyền cơ khí cho hiệu suất truyền cao nhất, có thể lựa chọn cho chế độ sử dụng công suất lớn nhất của máy kéo và xe chuyên dụng.

- Chế độ truyền công suất thủy tĩnh (Ph=1, Pm = 0).

Chế độ này xảy ra khi toàn bộ công suất vào được truyền đến trục ra bằng thủy lực và HSPNCS hoạt động như một bộ biến tốc thủy tĩnh. Nhược điểm của

chế độ truyền động thuần túy thủy tĩnh là hiệu suất thấp, giới hạn bởi hiệu suất của các phần tử thủy lực.

- Chế độ tuần hoàn công suất cơ khí (Ph>1, Pm < 0).

Phần công suất thủy lực lớn hơn công suất vào dẫn đến hiệu suất truyền

động rất thấp, nhỏ hơn cả hiệu suất thủy lực.

- Chế độ tuần hoàn công suất thủy lực (Ph<0, Pm >1).

Trong chế độ tuần hoàn công suất thủy lực, bộ biến tốc thủy lực hoạt động nghịch đảo, có nghĩa là động cơ (M) hoạt động như một bơm và bơm (P) hoạt động như động cơ. Theo một số tác giả (Hansel, 1991; Nguyễn Công Thuật, 2014), chế độ này có hiệu suất cao hơn chế độ tuần hoàn công suất cơ khí. Trong một số trường hợp có thể tận dụng công suất để tái sử dụng năng lượng (khi phanh hoặc xuống dốc của xe chuyên dụng).

4.1.1.3. Ảnh hưởng của tỷ số truyền đến chế độ phân nhánh công suất

Tỷ lệ Ph giữa phần công suất thủy lực với tổng công suất vào phụ thuộc quyết định vào cấu hình và tỷ số truyền của HSPNCS. Do đó, việc phân tích chế độ phân nhánh công suất theo vùng tỷ số truyền là cơ sở để lựa chọn cấu hình của HSPNCS phù hợp với máy kéo nông nghiệp nghiên cứu.

a. Các phương án nhập dòng đầu vào

Nếu gọi vận tốc góc của trục vào là e, vận tốc góc của trục ra là A, tỷ số

truyền iG của HSPNCS được định nghĩa như sau:



i G

  A    e

vao

(4.1)

Trong bộ truyền bánh răng hành tinh, nếu gọi số răng của vành răng (R), bánh răng mặt trời (S) và cần dẫn (C) lần lượt là zR, zS và zC, thì tỷ số truyền cơ sở i0 được định nghĩa như sau:



i 0

z R z

(4.2)

Quan hệ vận tốc góc và mômen trong bộ truyền hành tinh có thể xác định

theo công thức (4.3) và (4.4) (Puetz, 2003; Ramdan, 2013):

 











 C

z R R

z S S

M M M





(4.3)

(4.4)

Với mỗi phương án phân nhánh công suất, quan hệ giữa tỷ lệ công suất thủy lực Ph là một hàm của tỷ số truyền iG của HSPNCS. Tổng hợp các hàm quan

hệ giữa tỷ lệ công suất thủy lực Ph với iG của 6 phương án nhập dòng tại trục vào được thể hiện trong bảng 4.3.

Bảng 4.3. Tổng hợp các chế độ phân nhánh công suất theo tỷ số truyền của 6 phương án nhập dòng tại trục vào

Vận tốc góc thủy lực

Mô men thủy lực

Cấu hình

Tỷ lệ công suất thủy lực (Ph)

 





 C

z S S

IRC



  R

P h

M z C R  z z

 z z

 1 1    i i 

  





ICR



  C

P h



   z z S S R R z z

 M z R R z

 1 1    i i 

  



 





 C

z R R

ISR



1  

  S

P h

M z R S z

z S z

 1 i i

1 i

  

  

 





 C

z S S

IRS



  S

    1 i



P h

M z S R z

 z z

1 i

  

  





ICS



  C

P h

   z z S S R R z z



 M z S R z

1 i

    1 i 

  



 





 C

z R R

ISC



M S

  1

  S

P h

M z C S  z z

z S z

1 i

 i 0    1 i

  

Nguồn: Heribert, (1990)

Nhận xét: Hai phương án ICS và ICR hoạt động ở chế độ (1 ≤ Ph ≤ ∞), bốn phương án còn lại hoạt động ở chế độ (-∞ ≤ Ph ≤ 1). Và cả sáu phương án đều không tồn tại chế độ tỷ số truyền iG = 0, do đó mỗi phương án riêng lẻ không phù hợp với hoạt động của hộp số máy kéo và xe chuyên dụng.

b. Các phương án nhập dòng tại trục ra

Với mỗi phương án nhập dòng tại trục ra, quan hệ giữa tỷ lệ công suất thủy lực Ph cũng là một hàm của tỷ số truyền iG của HSPNCS. Tổng hợp các hàm quan hệ giữa tỷ lệ công suất thủy lực Ph với iG của 6 phương án nhập dòng tại trục ra được thể hiện trong bảng 4.4.

Bảng 4.4. Tổng hợp các chế độ phân nhánh công suất theo tỷ số truyền của 6 phương án nhập dòng tại trục ra

Vận tốc góc thủy lực

Mô men thủy lực

Cấu hình

Tỷ lệ công suất thủy lực (Ph)





RCO

  1



  C

P h

   z z R R S S z z

i G i



 M z R R z

 





 C

z S S

CRO



  1

P h

  R

M z C R  z z

i G  1 i

 z z

 

    1 i







P h

i 0 G

 C

z S S

SRO



  R

M z S R z

 z z



 





 C

z R R

RSO



  S

P h

M z R S z

z S z

    1 

 1 i 0  i 



 





 C

z R R

CSO



  S

P h

M z C S  z z

z S z

 i 0    1  1 i

  

 



P h

1 i i 0 G



SCO



  C

   z z R R S S z z



 M z R R z

Nguồn: Heribert (1990)

Nhận xét: Tất cả các phương án HSPNCS nhập dòng tại trục ra đều có quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ phần công suất thủy lực với tỷ số truyền của hộp số. Hai phương án RCO và SCO có quan hệ tuyến tính đồng biến có nghĩa là càng tăng iG sẽ càng tăng Ph là chế độ phân nhánh (1≤ Ph ≤ ∞), không phù hợp với hoạt động của hộp số máy kéo.

Bốn phương án còn lại có quan hệ tuyến tính nghịch biến có nghĩa là Ph sẽ giảm đến 0 khi tăng iG, là chế độ phân nhánh (1 ≥ Ph ≥ 0) có thể để lựa chọn để thiết kế HSPNCS cho máy kéo nông nghiệp.

4.1.1.4. Hiệu suất truyền động của các phương án hộp số phân nhánh công suất

HSPNCS là một bộ truyền vô cấp phối hợp thủy lực - cơ khí, kết nối song song giữa một bộ phận truyền bánh răng hành tinh với một bộ biến tốc thủy tĩnh.

Khi truyền qua HSPNCS, công suất động cơ đốt trong được tách thành hai phần, một phần qua bộ biến tốc thủy lực, phần còn lại truyền qua bộ hành tinh cơ khí.

Do hiệu suất truyền động thủy lực thường thấp (xem Hình 4.3) nên hiệu suất của HSPNCS phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ phân nhánh công suất. Hiệu suất hộp số càng cao khi tỷ lệ công suất truyền qua nhánh cơ khí càng lớn. Tỷ lệ phân nhánh công suất phụ thuộc vào kết cấu hộp số và cách thức phối hợp giữa hai dòng công suất.

Tính chất hiệu suất của HSPNCS chỉ được phân tích đầy đủ nhất khi nghiên cứu

thực nghiệm (Wik & cs., 1999). Tuy nhiên phân tích hiệu suất theo cấu hình, theo tỷ số truyền hoặc theo chiến lược bộ biến tốc thủy lực có thể dự đoán tính chất hiệu suất. Kết quả dự đoán có thể sử dụng để lựa chọn cấu hình và vùng tỷ số truyền phù hợp với chế độ vận tốc và tải trọng của máy kéo và xe chuyên dụng sử dụng HSPNCS.

Như đã phân tích, HSPNCS hình thành trên cơ sở bộ truyền hành tinh đơn ba trục, chỉ có bốn phương án kết cấu có thể lựa chọn sử dụng cho máy kéo nông

nghiệp (xem mục 4.1.3). Ngoài ra chế độ phân nhánh công suất phù hợp với điều kiện làm việc của máy kéo và xe chuyên dụng là chế độ (0 ≤ Ph ≤ 1) và (0 ≤ Pm ≤ 1). Do đó việc lựa chọn cấu hình theo phân tích hiệu suất chỉ còn giới hạn trong bốn

phương án SRO, CRO, CSO và RSO phụ thuộc tỷ số truyền iG (iG ≥ 0).

a. Hiệu suất của biến tốc thủy lực

Các phần tử (P) và (M) được sử dụng trong bộ biến tốc thủy lực có thể hoạt

động thuận nghịch, có nghĩa là mỗi phần tử có thể đảm nhiệm là bơm hoặc động cơ tùy theo chế độ vận hành. Đối với phương án kết cấu và chế độ phân nhánh đã chọn thì (P) luôn là bơm và (M) luôn là động cơ thủy lực.

Hiệu suất của một bộ biến tốc thủy lực được xác định từ hiệu suất bơm và

M M

hiệu suất động cơ thủy lực:

     . P M

M .n M .n P

(4.5)

Hiệu suất của mỗi phần tử (P) hoặc (M) được tính theo hiệu suất thể tích và

   



P V

P Q h h  2 M n

hiệu suất ma sát, có nghĩa là:

 M M

   



P 2 M  P Q h

(4.6)

P ,Q là áp suất và lưu lượng thủy lực. h

Trong đó,

Trên hình 4.3 giới thiệu đặc tính hiệu suất của bơm và động cơ thủy lực phụ

a) Bơm 51S 283 áp suất khác nhau, góc lắc 450

thuộc chênh áp suất hai phía (Skirde & Gigling, 1996).

b) Bơm 51S 283 áp suất khác nhau, góc lắc 450

Hình 4.3. Hiệu suất phần tử thủy lực phụ thuộc số vòng quay và áp suất hoạt động

Có thể nhận xét hiệu suất của bơm và động cơ thủy lực tham khảo đạt giá trị rất cao khi áp suất hoạt động nằm trong khoảng 210 - 420bar trong dải số vòng quay từ 500 - 2.500 v/ph và nghiêng của đĩa lắc (góc lắc) 45o.

Hiệu suất bơm và động cơ thủy lực sẽ giảm khi giảm góc lắc. Tính chất này

được minh họa trên Hình 4.4.

Hình 4.4. Đặc tính hiệu suất của bơm hướng trục

Hiệu suất bơm thay đổi từ 80 -94% khi góc lắc thay đổi từ 2,5 ÷ 17,50, công

suất truyền từ 5 ÷ 35 kW (Bùi Hải Triều & cs., 2006).

b. Hiệu suất của bộ truyền hành tinh

Trong bộ truyền hành tinh, hao tổn công suất phụ thuộc mạnh vào vai trò

của các phần tử, đặc biệt là phụ thuộc tỷ số truyền.

Đối với bốn phương án kết cấu HSPNCS nghiên cứu SRO, CSO, RSO và CRO

có thể sử dụng công thức xác định hiệu suất trong (Heribert, 1990; Kirste, 1989):

;

R      SC

R CS

S      CR

S RC

i H 0 V 1 i 

H V 1 

(4.7)

Trong đó: HV là hệ số hao tổn công suất ăn khớp răng.





. Đối với trường hợp khoá cứng bánh răng mặt trời S (cấu Trường hợp khóa cứng vành răng R (cấu hình SRO và CRO) khi thể tích (M)được điều khiển về 0 có thể thực hiện tỷ số truyền lớn với hiệu suất cao R  CS,SC 0.97 0,99





(Trịch Chất & Lê Văn Uyển, 2001). hình RSO và CSO) thường được dùng với tỷ số truyền nhỏ và có hiệu suất rất cao S  CS,SC 0.99 0,996

c. Hiệu suất chung của hộp số phân nhánh công suất

Hiệu suất chung của HSPNCS là tổng hiệu suất của các phần công suất thủy

lực và cơ khí theo công thức:



     h

 1 P h

P h

 m

(4.8)

Đối với các cấu hình đã chọn thì tỷ lệ phân nhánh công suất thay đổi từ

hoàn toàn thủy lực đến hoàn toàn cơ khí.

Tỷ lệ phân nhánh công suất thủy lực, phụ thuộc vào kết cấu và tỷ số truyền (Bảng 4.4), được sử dụng để tính toán hiệu suất và xây dựng quan hệ giữa hiệu suất của HSPNCS với tỷ số truyền và hiệu suất của các nhánh công suất (Bảng 4.5). Có thể nhận thấy hiệu suất của HSPNCS tăng tuyến tính với tỷ số truyền Gi và trị số đạt lớn nhất (iGmax) khi chuyển sang chế độ hoàn toàn cơ khí (Ph = 0, Pm = 1). Tỷ số truyền qua bộ hành tinh tại chế độ phân nhánh hoàn toàn cơ khí được xác định theo trạng thái kết cấu và liên kết của 3 trục (Heribert, 1990; Mürrenhoff & Wallentowitz, 1998).

Việc lựa chọn vùng tỷ số truyền cho máy kéo còn phụ thuộc vào vùng vận tốc làm việc chính, khả năng tương thích giữa vận tốc làm việc với điểm làm việc của động cơ và hiệu suất của bộ phận di động. Phương án CRO có vùng thay đổi tỷ số truyền lớn nhất (iGmax = 1 + i0), cho nhiều khả năng lựa chọn vận tốc làm việc hơn các phương án còn lại (Heribert, 1990).

Bảng 4.5. Tỷ số truyền cực đại và hiệu suất hộp số phân nhánh công suất

Cấu hình

Hiệu suất hộp số

Tỷ số truyền lớn nhất iGmax (iG = nA/ne)

   )

SRO

     h

(1 i )i ( 0 G

1 1 i

   

)

CRO

i ( G

   h

1 i 0

1 1 i 

   

)   

RSO

i ( G

i 0 1 i

1 i  i

   

)

CSO

i ( G

   h

1 i  i

i 0 1 i 

Nguồn: Heribert (1990)

4.1.1.5. Lựa chọn và định cỡ hộp số phân nhánh công suất cho máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 - 50 mã lực a. Lựa chọn cấu hình hộp số phân nhánh công suất

Máy kéo nông nghiệp có thể sử dụng tối ưu công suất động cơ trên toàn

vùng vận tốc làm việc, có hiệu suất tốt nhất khi làm việc trên đồng và khi chuyển

trên đường, có thể lựa chọn ở cấp vận tốc trong toàn vùng để tương thích với mọi

điều kiện làm việc, cần lựa chọn HSPNCS có khoảng điều khiển tỷ số truyền đủ

rộng và gần với tỷ số truyền tương ứng chế độ phân nhánh hoàn toàn cơ khí của

hộp số HSPNCS. Như đã phân tích ở trên, cấu hình CRO có thể đáp ứng các yêu

cầu nêu trên của máy kéo nông nghiệp hiện đại (điều khiển vô cấp với vùng thay

đổi tỷ số truyền lớn nhất), đồng thời cũng thỏa mãn điều kiện chi phí đầu tư hợp

lý cho máy kéo vừa và nhỏ phục vụ sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam.

Do yêu cầu vận tốc máy kéo khi làm việc trên đồng và khi vận chuyển khác

nhau nên phù hợp nhất là HSPNCS được bố trí đằng sau động cơ và nối tiếp

trước một hộp số cơ khí cấp 2 (hộp số phân tầng (Kirste, 1989).

Trên hình 4.5 trình bày sơ đồ kết cấu và nguyên lý làm việc của HSPNCS

đã chọn cho máy kéo nông nghiệp 4 bánh cỡ công suất 30 - 50 mã lực.

ĐC- Động cơ diesel; R- vành răng; S- bánh răng mặt trời; C- Cần dẫn; P- Bơm của bộ biến tốc;

M- Động cơ thủy lực của bộ biến tốc; i1- tỷ số truyền cặp bánh răng dẫn động; i2- tỷ số truyền cặp bánh răng nhập dòng; HSPT- hộp số phân tầng.

Hình 4.5. Sơ đồ hộp số phân nhánh công suất lựa chọn theo cấu hình CRO

Trên hình 4.5, trục vào của hộp số được nối với trục động cơ diesel (ĐC)

(mô men và số vòng quay của động cơ (Me, e)). Theo cấu hình CRO, trục vào

của HSPNCS được nối với cần dẫn (C) của bộ truyền hành tinh. Vành răng (R)

dẫn động cho bơm (P) của biến tốc thủy lực thông qua một cặp bánh răng dẫn động có tỷ số truyền i1. Bánh răng mặt trời (S) nhập dòng với trục động cơ (M) của bộ biến tốc nhờ một cặp bánh răng nhập dòng có tỷ số truyền i2. Trục động cơ (M) của biến tốc chính là trục ra của HSPNCS được nối với trục của hộp số

phân tầng (mô men và số vòng quay trục ra (MA, A). Bộ truyền hành tinh có tỷ

số truyền cơ sở là i0 = zR/zS với zR và zS là số răng của vành răng (R) và của bánh

răng mặt trời (S). Trong hình 4.5, các ký hiệu Mi và i thể hiện mô men và số

vòng quay tương ứng của các phần tử trong hệ thống.

Quan hệ mô men và số vòng quay trong bộ truyền hành tinh được thể hiện

trong các công thức (4.9) và (4.10):





M M M ; S R

z S 

1 M ; 

z R 

1 i M z

i 0 1 i 

M S  M z e

(4.9)



 e

z ) R

    z S S

S z R R

(4.10)

Quan hệ số vòng quay giữa bộ biến tốc thủy lực và bộ truyền hành tinh:

  

i ; R 1

     i M S 2

(4.11)

   là tỷ số truyền của HSPNCS thì iG được tính theo công

vao

i Gọi G thức (4.12):



i i 1 2





i 1

 i 0 H i H i

  1 i i i 0 2 i

  1 i i 0 i 1

(4.12)

với iH là tỷ số truyền của bộ biến tốc thủy lực, được tính bằng tỷ lệ giữa thể tích làm việc của bơm (P) và thể tích làm việc của động cơ thủy lực (M) trong bộ biến tốc:



V P V M

(4.13)

Nếu iH = 0 thì iG = 0, hộp số ở trạng thái số 0.

Nếu iH = ∞, khi điều khiển VM 0 thì bơm (P) bị khóa cứng, HSPNCS hoạt

động ở trạng thái hoàn toàn cơ khí với tỷ số truyền iG = iGmax.

Có thể nhận thấy, với cách bố trí các phần tử hệ thống như vậy, HSPNCS

tương đương với một hộp số phân cấp cơ khí trên các máy kéo vừa và nhỏ đang

hoạt động ở Việt Nam, iG = 0 ÷ 1, với số truyền lớn nhất là số truyền thẳng.

b. Định cỡ hộp số cho máy kéo

Việc định cỡ các nhánh công suất được thực hiện theo nguyên tắc: Đảm bảo khả năng truyền hết công suất của động cơ truyền lực và không vượt qua vận tốc giới hạn của các phần tử chuyển động.

Bộ hành tinh đơn ba trục lựa chọn cho HSPNCS là bộ truyền sẵn có vốn

công suất chuyển danh nghĩa là 30 kW, tỷ số truyền cơ sở i0 = zR/zS  2,1.

Bộ biến tốc thủy lực cũng được lựa chọn trong các bộ truyền sẵn có trên thị trường. Để có thể truyền công suất 20 ÷ 30 kW thì các thông số cơ bản phải thỏa mãn điều kiện:







 20 30 kW

V . p.   P P  2

V . p.   M M  2

(4.14)

Các phần tử bơm (P) và động cơ (M) được lựa chọn để có thể có hiệu suất

cao nhất trong vùng vận tốc làm việc (mục 4.1.4.1).

Số vòng quay của động cơ Diesel máy kéo nằm trong khoảng (2000 ÷ 2800) vòng/phút, phù hợp để chọn cho số vòng quay trục bơm. Tuy nhiên với cấu hình CRO, trục bơm (P) được dẫn động từ vành răng với số vòng quay cao

hơn nhiều so với số vòng quay trục sơ cấp. Quan hệ giữa vận tốc góc trục sơ cấp với vận tốc vành răng trong cấu hình SRO thỏa mãn công thức:



R max

    

 1 i 0  i 

(4.15)

Trường hợp i0 2,1:Rmax = (3/2).e.

Để vận tốc góc của bơm lớn nhất Pmax = i1.Rmax e, cần chọn i1 = 2/3.



  ,

Smax

   e

(1 i ) 3 0

Tương tự, vận tốc lớn nhất của bánh răng mặt trời:

    /

1/ 3

i cần chọn 2

c. Điều khiển hộp số phân nhánh công suất trên máy kéo

Với cấu hình CRO việc điều khiển vô cấp tỷ số truyền có thể thực hiện rất

thuận lợi nhờ thay đổi iH = VP/VM một cách nối tiếp.

Số 0 đảm nhận việc ngắt dòng công suất khi điều khiển iH = 0 (VP = 0).

Tăng tỷ số truyền bằng cách tăng VP từ 0 đến VPmax, sau đó tiếp tục tăng iG

bằng cách giảm VM từ VMmax đến VM = 0.

Việc điều khiển iH có thể được tự động hóa với mức độ khác nhau, thí dụ có thể điều khiển VP bằng tay và tự động hóa điều khiển VM hoặc tự động hóa điều khiển cả VP và VM.

Số lùi có thể thực hiện bằng cách thay đổi VP về phía ngược lại (VP < 0). Tuy nhiên hiệu suất truyền của HSPNCS khi đảo chiều trở nên xấu đi do tỉ lệ

phân nhánh công suất thủy lực tăng mạnh. Phương án thay thế có thể lựa chọn là bố trí một bộ truyền bánh răng đảo chiều cùng với hộp số phân tầng để đảo chiều quay của trục thứ cấp hộp số.

4.1.2. Nghiên cứu mô phỏng hộp số phân nhánh công suất 4.1.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng hộp số phân nhánh công suất

Mô hình mô phỏng cần mô tả đầy đủ nhất về kết cấu hoạt động và các trạng thái động lực của máy kéo sử dụng HSPNCS. Sử dụng mô hình mô phỏng có thể khảo sát linh hoạt các trạng thái hoạt động của hộp số tương ứng với các trạng thái hoạt động tiêu biểu của máy kéo khi làm việc với các điều kiện khác nhau trong sản xuất nông nghiệp.

Trên cơ sở sơ đồ hoạt động của HSPNCS được sử dụng cho máy kéo nông nghiệp (Hình 4.5), có thể xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của các phần tử trong hộp số.

a. Mô hình động cơ diesel

Động cơ là nguồn động lực của máy kéo, cung cấp công suất đầu vào cho

HSPNCS. Mô hình động cơ cần mô tả toán học quan hệ giữa mômen (Me) với số

vòng quay (ne) và mức ga (ψ) của động cơ máy kéo. Hàm số: Me = f(ne,ψ) được

xây dựng trên cơ sở đặc tính tốc độ của động cơ (Hình 4.6). Điểm làm việc của

động cơ là điểm cắt giữa đường công suất không đổi (đường hyperbol Mene =

const) với nhánh đấu tốc độ của đặc tính mômen.

Hình 4.6. Đặc tính tốc độ của động cơ diesel truyền lực (định tính)

Trên hình 4.6 là một số điểm làm việc nghiên cứu:

Điểm (MN,nN) là điểm làm việc đầy tải, công suất 100%, số vòng quay và

mômen định mức.

Điểm (M1,n1) là điểm làm việc trên đường đặc tính ngoài với mức ga ψmax,

công suất 60%.

Điểm (M,n) là điểm bất kì với mức ga ψ, công suất khoảng 40%.

Nhánh điều tốc của đặc tính hợp với trục hoành một góc  và tương đương

với mức ga ψ, nhánh điều tốc sẽ trượt song song theo trục hoành n. Trên cơ sở

quan hệ đồng dạng có thể xây dựng quan hệ M = f(n) theo công thức:



  M

 ( .n



max





M N 

max

(4.16)

Trong đó: MN, nN, nmax là các thông số đặc trưng cho trước trong đặc tính

tốc độ ngoài của động cơ; ψ là mứcga tính bằng % so với vị trí ga cực đại.

Trong trường hợp ga cực đại ψ = 100%, điểm làm việc nằm trên nhánh điều

tốc của đặc tính tốc độ ngoài:





M 1

max

n ) 1

M N 

max

(4.17)

b. Mô hình bộ truyền hành tinh

Đối với HSPNCS có cơ cấu hình CRO, công suất động cơ (đặc trưng bởi mô men và số vòng quay (Me, ne)) tại trục sơ cấp được phân nhánh tới vành răng (R) và bánh răng mặt trời (S) theo các quan hệ mô men và số vòng quay đã được mô tả ở các công thức (4.9) và (4.10).

Hệ phương trình vi phân mô tả HSPNCS được xây dựng cho hệ thống 2 khối lượng: khối lượng thứ nhất là khối lượng chuyển động quay quy dẫn về trục bơm (P), khối lượng thứ hai là khối lượng chuyển động quay quy dẫn về trục động cơ của biến tốc thủy lực (trục thứ cấp của HSPNCS).





 b k



i 1

(4.18)

 

b k 





  P  

&  . P &  . M

M   M

i 2

  

Hệ phương trình vi phân mô tả HSPNCS:

Trong đó: JP, JM là Mô men quán tính của khối lượng quay quy dẫn về trục bơm (P) và trục động cơ (M); MR, MS là phần mômen động cơ phân nhánh cho

vành răng (R) và cho bánh răng mặt trời (S); (MP, P) và (MM, M) là mô men thủy lực và số vòng quay của bơm (P) và của động cơ (M) trong bộ biến tốc; MAlà mômen tải quy dẫn đến trục thứ cấp của HSPNCS; b là hệ số ma sát cản nhớt của bánh răng; kP, kM là hệ số cản nhớt của bơm (P) và của động cơ (M) trong bộ biến tốc. Trong nghiên cứu này, bỏ qua độ cứng của các phần tử cơ khí.

Hình 4.7. Mô hình mô phỏng hộp số phân nhánh công suất

c. Mô hình bộ biến tốc thủy lực

Bộ biến tốc thủy lực trong HSPNCS là một hộp số thủy tĩnh có thể đảo

chiều, hoạt động trong mạch kín. Để hộp số thủy tĩnh dạng mạch có thể hoạt

động ổn định, hiệu quả cần có những bộ phận phụ trợ để cân bằng lọt lòng, chặn

dòng để bổ sung dầu cho nhánh áp suất thấp cũng như giới hạn áp suất để bảo vệ

nhánh áp suất cao. Tuy nhiên trong mô hình mô phỏng chỉ cần quan tâm đến quá

trình phân chia và biến đổi năng lượng từ bơm (P) và động cơ (M) và ảnh hưởng

trực tiếp đến tính chất hoạt động của HSPNCS.

Trong các chế độ làm việc chính của máy kéo, (P) luôn hoạt động ở chế độ

bơm và (M) luôn hoạt động ở chế độ động cơ. Mômen trên trục bơm MP và

mômen trên trục cơ MM phụ thuộc vào chênh áp giữa hai nhánh trong mạch kín







V P

p 2



(4.19)



p 2

V M



p 1 2    p 1 2 

p  V P 2   p V M 2 

    

theo công thức:

Giá trị áp suất p1, p2trong các trạng thái động lực học được xác định từ các

(4.20)

Q g 1  V 1 Q g  V 2

 &  p 1     & p  

công thức biến động áp suất.

Trong đó V1, V2 là tổng thể tích dầu tích lũy trong hai nhánh của mạch kín;

 là hệ số nén của dầu thủy lực.



 Q Q P

g 1

(4.21)

M Q





  



Qg1, Qg2được tính từ công thức cân bằng lưu lượng.

 PQ n

QV ; P M P

n V M M

với

d. Mô hình mô men cản ở trục thứ cấp

Mô men cản ở trục thứ cấp (MA) trong thực tế chính là mô men được truyền

từ bánh xe đến trục thứ cấp của hộp số. Mục tiêu của phần 4.1 chỉ là khảo

nghiệm hoạt động của HSPNCS trong một số trạng thái hoạt động điển hình của

máy kéo, do đó mô hình mô men cản MA trong chương này có giá trị là hằng số.

Phần mô tả mô men từ bánh xe truyền đến trục thứ cấp của hộp số sẽ được trình

bày cụ thể hơn trong phần 4.2 của luận án.

4.1.2.2. Mô phỏng hộp số phân nhánh công suất

Từ hệ phương trình mô phỏng HSPNCS (4.18) và các mô tả cụ thể từng phần tử trong hộp số đã xây dựng ở trên, sơ đồ thuật toán mô phỏng hoạt động của HSPNCS được thể hiện trên hình 4.8 (ý nghĩa các khối chức năng xem thêm ở bảng 4.1). Với sơ đồ này, có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng số để giải. Trong luận án này, phần mềm Matlab Simulink được sử dụng trong tính toán mô phỏng hoạt động của HSPNCS.

Hình 4.8. Sơ đồ thuật toán mô phỏng hộp số phân nhánh công suất

4.1.2.3. Nghiên cứu một số tính chất động lực học và điều khiển hộp số phân nhánh công suất

Trong nội dung này sẽ sử dụng mô hình mô phỏng HSPNCS để khảo sát một số trạng thái hoạt động của hộp số tương ứng với các trạng thái hoạt động tiêu biểu của máy kéo khi làm việc với các điều kiện khác nhau trong sản xuất nông nghiệp. Các trạng thái hoạt động được khảo sát bao gồm:

- Chế độ thay đổi tỷ số truyền;

- Chế độ thay đổi tải trọng.

Chi tiết của kết quả nghiên cứu được trình bày kết hợp với kết quả thí nghiệm (mục 4.3). Ngoài ra, các nghiên cứu lý thuyết trong các trường hợp khác (khởi hành dời chỗ, vận chuyển theo chế độ tải trọng) và chiến lược điều khiển hộp số tương ứng với chế độ làm việc của máy kéo sẽ được trình bày chi tiết hơn.

4.1.3. Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng hoạt động và hiệu suất của hộp số phân nhánh công suất

Với mô hình mô phỏng đã được xây dựng và khảo nghiệm các chế độ hoạt

động lý thuyết, để nghiên cứu áp dụng mô hình HSPNCS trên máy kéo, cần thiết

có thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của mô hình cũng như đánh giá khả năng tái

hiện một số hoạt động thực tế.

4.1.3.1. Mục tiêu thí nghiệm

Mục tiêu thí nghiệm của luận án là xây dựng một bệ thử hộp số cho phép tái

tạo được nguyên lý hoạt động, đánh giá được độ tin cậy của mô hình mô phỏng

và đánh giá được hiệu suất của hộp số phân nhánh công suất.

Để thực hiện mục tiêu này, một bệ thử nghiệm hộp số với hệ thống đo và xử lý

tín hiệu hiện đại được xây dựng tại Bộ môn Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt

Nam. Bệ thử cho phép mô tả và phân tích và đánh giá một số tính chất của HSPNCS

trong các trường hợp làm việc điển hình của máy kéo nông nghiệp.

4.1.3.2. Bệ thử thí nghiệm

Bệ thử thí nghiệm được phát triển trên cơ sở sơ đồ kết cấu và hoạt động của

HSPNCS theo cấu hình CRO đã mô tả ở mục 4.1.2 (hình 4.9).

Để thuận tiện cho việc lắp ráp, điều chỉnh khoảng cách trục cũng như việc

lắp đặt các cảm biến mà vẫn thỏa mãn các yêu cầu đánh giá hiệu suất và phân tích

các trạng thái động lực học và điều khiển của HSPNCS, cũng như phù hợp với

thiết bị, công nghệ chế tạo hiện có, các cặp bánh răng i1, i2 được thay thế bằng các

bộ truyền xích có tỷ số truyền tương đương. Sơ đồ truyền động và đo của bệ thử

thí nghiệm được trình bày trên hình 4.9 bao gồm các phần tử kết cấu dưới đây:

- Động cơ truyền lực là động cơ diesel có công suất định mức 24.6 kW,

tương ứng số vòng quay 2650 vòng/phút, mô men xoắn cực đại 135 Nm đạt tại

số vòng quay 1600 vòng/phút;



57 / 27 2.1



- Bộ truyền hành tinh đơn 3 trục có công suất danh nghĩa 30 kW tỷ số

z R

z S

; truyền cơ sở 0 i

- Bộ biến tốc thủy lực là một hộp số thủy tĩnh hoàn chỉnh, có công suất

truyền 20 – 30 kW, các đơn nguyên bơm (P) và động cơ (M) điều khiển được thể tích đến thể tích cực đại VPmax = 33 cm3/vòng và VMmax= 37 cm3/vòng;

- Bộ phân tạo tải: phanh thủy tĩnh bằng bơm thủy lực.

Tải trọng thí nghiệm được tạo ra bởi một phanh thủy tĩnh. Bơm thủy lực tạo

tải được dẫn động từ trục thứ cấp hộp số qua một cặp xích với tỷ số truyền ip = 2. Các phương án tải trọng được thực hiện bằng cách phối hợp điều khiển 3 van: VG, Vw, VDr của bơm gây tải.

- Các loại cảm biến đo (cảm biến mô men, cảm biến số vòng quay, cảm

biến lưu lượng, cảm biến áp suất).

- Bộ chuyển đổi và thu thập số liệu: Card chuyển đổi A/D loại Ni PCI-6251.

Bơm gây tải

ĐC - Động cơ truyền lực; C - Cần dẫn; R - Vành răng; S - Bánh răng mặt trời;i1 - Xích phân

nhánh; i2 - Xích nhập dòng; ip - Xích tải trọng; P, M - Các đơn nguyên bơm/động cơ; C1, C3, C4 - Các cảm biến số vòng quay; C2 - Cảm biến mô men; C5,C6 - Cảm biến áp suất và lưu lượng gây tải; VG - Van giới hạn áp suất; Vw - Van phân phối đóng ngắt; VDr - Van tiết lưu

- Phần mềm đo ghi và xử lý số liệu: DasyLab 7.0.

Hình 4.9. Sơ đồ truyền động, điều khiển đo thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất

Hình 4.10. Bệ thử công suất để thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất

Tất cả các thiết bị này được lắp đặt, chuẩn hóa, kết nối và đo ghi tại Bộ môn Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt Nam (hình 4.10). Sơ đồ kết nối và bố trí cảm biến thể hiện trên hình 4.11 thông số của các cảm biến thể hiện trong bảng 4.6. Sơ đồ Worksheet sử dụng bằng phần mềm DasyLab để đo ghi dữ liệu được

thể hiện trên hình 4.11. Các thông số của thiết bị đo đã được ghi rõ trong một số nghiên cứu trước đây về máy kéo nông nghiệp cỡ nhỏ.

Bảng 4.6. Thiết bị đo ghi và xử lý số liệu thí nghiệm

TT

Thiết bị

Ký hiệu

Chủng loại

1 Cảm biến đo số vòng quay

E2A-M18KS08-WP-C1 2M

2 Cảm biến đo mô men

Kistler Torque Sensor Model 4502A

3 Cảm biến đo số vòng quay

E2A-M18KS08-WP-C1 2M

4 Cảm biến đo số vòng quay

E2A-M18KS08-WP-C1 2M

5 Cảm biến đo áp suất

Huba Pressure Transmitter Type 511.954603142

6 Cảm biến đo lưu lượng

Lake Flow Transmitter R-4A-6HD-

50RF

7 Card chuyển đổi A/D

Card A/D Ni PCI-6251

Phần mềm xử lý số liệu

DASYLab

Hình 4.11. Worksheet sử dụng trong thí nghiệm

4.1.3.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thông số đánh giá

Hiệu quả làm việc của HSPNCS thường được đánh giá bằng hiệu suất của

hộp số. Việc xác định một cách chính xác hiệu suất của hộp số cần thiết được thực

hiện trong phòng thí nghiệm bằng cách đo trực tiếp hao tổn công suất hoặc đánh

giá gián tiếp từ giá trị công suất đầu ra so với đầu vào của hộp số (Thiel, 1983;

Heribert, 1990; Hanzheng, 2021). Đối với các hệ thống có hiệu suất cao (≥ 95%),

phương pháp đo trực tiếp hao tổn công suất có ưu thế hơn do việc đo sai lệch

tương đối giữa công suất vào - ra của phương pháp đánh giá công suất sẽ rất khó

chính xác, cũng như yêu cầu độ chính xác của kỹ thuật đo rất cao. Tuy nhiên, tại

vùng hiệu suất từ (78% ÷ 93%) sai số tương đối của cả hai phương pháp không

chênh lệch nhiều (Heribert, 1990). Do đó đối với hộp số HSPNCS, có hiệu suất dự

kiến (80% - 90%) việc xác định hiệu suất được lựa chọn theo phương pháp đánh

giá công suất đầu vào - ra.

Trên sơ đồ hình 4.9, công suất vào được xác định nhờ 2 cảm biến số vòng

quay C1 và cảm biến mô men C2 trên trục sơ cấp. Công suất ra được xác định nhờ

3 cảm biến: cảm biến số vòng quay C4, cảm biến áp suất C5 và cảm biến lưu

lượng C6 là công suất thủy lực và quy dẫn đến trục thứ cấp của HSPNCS.

Các trạng thái động lực học và điều khiển của HSPNCS xuất hiện nhờ quá

trình phối hợp điều khiển giữa động cơ diesel (thay đổi tay ga), HSPNCS (thay

đổi VP, VM bằng cách thay đổi góc nghiêng của đĩa phản ứng trong bơm và động

cơ thủy lực) và thay đổi tải (điều khiển các van thủy lực VG, Vw, VDr). Do đó, cấu

hình thí nghiệm có thể phân tích một số tính chất động lực học điển hình của hộp

số máy kéo như: Khởi hành, sang số, tăng giảm ga và tăng giảm tải trọng.

Với phương pháp nghiên cứu thí nghiệm như trên, các thông số đo kiểm

chứng trực tiếp và gián tiếp (giữa mô phỏng lý thuyết và thí nghiệm) bao gồm:

- Các thông số đo và đánh giá trực tiếp: mô men và số vòng quay động cơ

(các cảm biến C2, C1), số vòng quay trục thứ cấp của hộp số (cảm biến C3).

- Các thông số đo và đánh giá gián tiếp: tỷ số truyền của hộp số.

4.1.3.4. Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng hoạt động và điều khiển hộp số Bệ thử thí nghiệm đã được chạy thử ổn định và thực hiện các phương án

theo mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm đánh giá độ tin cậy của mô hình

mô phỏng và đánh giá khả năng tạo tải, khả năng tái hiện, đo và phân tích một số

trạng thái hoạt động điển hình của HSPNCS trong phòng thí nghiệm.

Độ tin cậy và khả năng tái hiện hoạt động của hộp số sẽ được đánh giá qua

2 tiêu chí:

- Đánh giá về qui luật của các thông số (định tính);

- Đánh giá về sai số của kết quả đo với lý thuyết (định lượng).

Qui luật biến đổi của các thông số được đánh giá qua các đồ thị kết quả, chính là sự so sánh dáng điệu và xu thế biến đổi của các thông số (đo trực tiếp và tính gián tiếp). Sai số của mỗi kết quả đo (trong 1 lần đo) được đánh giá bằng sai lệch bình phương trung bình giữa mô phỏng lý thuyết và thí nghiệm (tương ứng từng thông số) và được tính theo phần trăm. Một số thông số đầu vào cho mô phỏng lý thuyết được xác định trực tiếp từ các thông số của thiết bị trong bệ thử (xem thêm bảng 4.8 và bảng 4.9).

(4.22)

RMS(e ) x

1   N  i 1



i,LT

trong đó:

(4.23)

*100%



i,TN x

i,LT

Nếu gọi x là thông số cần so sánh, xi,LT và xi,TN là các giá trị tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm của đại lượng x tại thời điểm (điểm đo) thứ i, sai lệch bình phương trung bình của sai số tương đối ex (tính theo %) giữa mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm được tính theo công thức (4.22):

a. Thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền

Mục tiêu của thí nghiệm ở đây là đánh giá hệ thống thí nghiệm về khả năng

tái hiện nguyên lý làm việc của HSPNCS, tái hiện cấu hình CRO và khả năng

đáp ứng các yêu cầu theo mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm.

Theo nguyên lý kết cấu của HSPNCS có cấu hình CRO, tỷ số truyền của hộp

số (iG) được xác định từ tỷ số truyền biến tốc thủy lực (iH) theo công thức (4.13).

Trong thí nghiệm, động cơ hoạt động theo đặc tính ngoài (ga cực đại), tải

trọng được giữ ở một giá trị xác định (Vw ở vị trí khóa, điều chỉnh VDr đến

mức tải thí nghiệm), đặt VM tại vị trí max, tiến hành điều chỉnh VP đến vị trí max để thay đổi tỷ số truyền HSPNCS, (VPmax = 33 cm3/vòng, VMmax = 37 cm3/vòng). Sau đó giữ VP tại vị trí max, giảm VM để tiếp tục có được các tỷ số

truyền lớn hơn.

Kết quả trình bày trên hình 4.12 mô tả các kết quả mô phỏng lý thuyết (đường

màu đỏ, nét liền) và quá trình tín hiệu từ các cảm biến đo (đường màu xanh, chấm

tròn). Trong hình 4.12, có 3 thông số có thể đánh giá trực tiếp giữa tính toán lý

thuyết và thí nghiệm, bao gồm mô men Me tại trục sơ cấp của hộp số (mô men động

cơ diesel, đo bằng cảm biến C2), số vòng quay trục sơ cấp ne (số vòng quay động cơ

diesel, đo bằng cảm biến C1) và số vòng quay trục thứ cấp của hộp số nM (đo bằng

cảm biến C3). Các thông số chỉ đo được bằng thí nghiệm liên quan đến bơm tạo tải,

bao gồm số vòng quay trục bơm tải nb (đo bằng cảm biến C4), áp suất bơm pb (đo

bằng cảm biến C5) và lưu lượng bơm Qb (đo bằng cảm biến C6).

Ngoài ra, trong thí nghiệm này cũng nhằm đánh giá về khả năng tái hiện

cấu hình CRO trong quá trình thay đổi tỷ số truyền của hộp số bằng cách đánh

giá thông số đo gián tiếp là tỷ số truyền hộp số.

Theo nguyên lý kết cấu của HSPNCS có cấu hình CRO, tỷ số truyền của

hộp số theo lý thuyết (iG,LT) được xác định từ tỷ số truyền biến tốc thủy lực (iH)

theo công thức (4.13) đã trình bày ở mục 4.1.5.1a. Trong thí nghiệm này, tỷ số

truyền hộp số theo thí nghiệm iG,TN được tính toán gián tiếp từ 2 giá trị đo là số

(4.24)



G,TN

n M,TN n

e,TN

vòng quay trục vào ne,TN và số vòng quay trục ra nM,TN của hộp số:

) p / l (

) h p

/ v (

Hình 4.12. Kết quả thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền

Từ các kết quả (hình 4.12 và bảng 4.7) cho thấy, Các đồ thị kết quả cho

thấy các quá trình tín hiệu từ cảm biến ít nhiễu, biến đổi phù hợp theo sự thay đổi VP, đáp ứng tốt với tín hiệu điều khiển. Kết quả tính toán giá trị trung bình của sai số tương đối (RMS) các đại lượng đo nhỏ hơn 5%, cho phép đánh giá mô hình HSPNCS đảm bảo độ tin cậy (bảng 4.7). Các kết quả thí nghiệm không sai lệch nhiều so với công thức lý thuyết, thể hiện khả năng tái hiện nguyên lý làm việc của HSPNCS và đáp ứng được các yêu cầu theo mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm.

Bảng 4.7. Sai số giữa kết quả đo thí nghiệm và mô phỏng lý thuyết

TT

Thông số

Ghi chú

RMS của sai số tương đối (%)

Đo trực tiếp

3,8

1 Mô men trục sơ cấp (Me)

Đo trực tiếp

2,7

Số vòng quay trục sơ cấp (ne)

Đo trực tiếp

3,2

Số vòng quay trục thứ cấp (nM)

1,16

Tính gián tiếp

Tỷ số truyền của hộp số (iG)

b. Thí nghiệm thay đổi tải trọng

Trong thí nghiệm, động cơ vẫn hoạt động theo đặc tính ngoài, điều khiển

VP, VM để có một tỷ số truyền xác định, tải trọng thay đổi chậm bằng cách thay

đổi Vw ở vị trí khóa và xoay vị trí van tiết lưu VDr. Nếu muốn thay đổi tải nhanh

thì cần cố định vị trí VDr ở một mức độ tải và chuyển mạch Vw từ vị trí lưu thông

đến vị trí khóa (tăng tải) và ngược lại (giảm tải). Qui trình thay đổi tải trọng theo

các mức nhanh (đường liền xanh) và mức chậm (đường chấm đỏ) thông qua thời gian tăng tải nhanh, chậm. Trong thí nghiệm này, VP = VPmax = 33 cm3/vòng, VMmax =VMmax = 37 cm3/vòng. Mô men gây tải biến đổi từ giá trị nhỏ nhất MAmin

= 30 Nm đến giá trị lớn nhất MAmax=80 Nm trong khoảng thời gian 10 giây (mức

nhanh) và 50 giây (mức chậm). Phản ứng của các tín hiệu cảm biến theo qui trình

thay đổi tải nhanh được trình bày trên hình 4.13, và theo qui trình thay đổi tải

chậm được trình bày trên hình 4.14.

) p / l (

) h p / v (

Hình 4.13. Kết quả thí nghiệm thay đổi tải trọng theo mức nhanh

Nhận xét: Khi thay đổi tải bằng cách thay đổi vị trí van tiết lưu quá trình tín

hiệu từ các cảm biến biến đổi phù hợp (theo cả 2 chu trình thay đổi tải trọng theo

mức nhanh (hình 4.13) và mức chậm (hình 4.14)). Các tín hiệu mô men trục sơ

cấp (cảm biến C2), số vòng quay trục sơ cấp (cảm biến C1) đáp ứng tốt với sự

thay đổi từ cảm biến áp suất (C5) và cảm biến số vòng quay trục thứ cấp (C4) phù

hợp với khi biến đổi qua tỷ số truyền của HSPNCS.

)

m N

(

) h p / v (

) p / l (

) h p / v (

Hình 4.14. Kết quả thí nghiệm thay đổi tải trọng theo mức chậm

4.1.3.5. Nghiên cứu hiệu suất hộp số phân nhánh công suất bằng thực nghiệm Một trong những tiêu chí quan trọng để nghiên cứu phát triển HSPNCS ứng dụng cho máy kéo nông nghiệp là hiệu suất của hộp số. Trong phần này sẽ sử

(4.25)





Gi TN ,

P Ai P ei

p Q i i M n ei ei

 pi

dụng bệ thử thí nghiệm để đánh giá hiệu suất của hộp số, trong đó hiệu suất của hộp số tại mỗi điểm thí nghiệm (i) được đánh giá bằng tỷ lệ giữa công suất trục ra và công suất trục vào theo công thức:

Đây là phương pháp xác định hiệu suất một cách gián tiếp thông qua các phép đo bằng bệ thử. Các đại lượng cần đo để đánh giá hiệu suất bao gồm: mô men Me tại trục sơ cấp của hộp số (mô men động cơ diesel, đo bằng cảm biến C2), số vòng quay trục sơ cấp ne (số vòng quay động cơ diesel, đo bằng cảm biến C1), áp suất bơm pb (đo bằng cảm biến C5) và lưu lượng bơm Qb (đo bằng cảm biến C6). Với mỗi lần xác định hiệu suất trung bình, đặt một chế độ tải trọng, sau đó điều chỉnh tỷ số truyền iG của hộp số bằng cách đặt VP = VPmax, sau đó điều khiển thay đổi giá trị VM và giữ nguyên trạng thái các thông số trong mỗi lần ghi kết quả. Hiệu suất của mỗi lần đo được tính là giá trị trung bình của quá trình đo ghi.

Trong bài toán nghiên cứu hiệu suất, hai thông số thường sử dụng để đánh giá hiệu suất hộp số là tải trọng (Mô men động cơ Me) và tỷ số truyền (iG). Mô men của động cơ Me trong thí nghiệm sử dụng ở chế độ đặc tính ngoài (bướm ga ở chế độ cực đại). Để hướng tới nghiên cứu tính chất điều khiển HSPNCS sử dụng cho máy kéo, theo công thức 4.12, tỷ số truyền iG của hộp số thay đổi phụ thuộc vào tỷ số truyền của bộ biến tốc iH, bằng cách thay đổi VP hoặc VM. Trong nghiên cứu này, tỷ số truyền iG sẽ thay đổi theo phương án thay đổi thể tích làm việc VM, trong khoảng khảo sát VM = 0 ÷ VMmax (VMmax = 37 cm3/vòng).

Kết quả tổng hợp thể hiện trên các hình 4.15 đến hình 4.17. Hình 4.15 thể

hiện mối quan hệ giữa hiệu suất của HSPNCS (HS)phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ (Mô men (Me), số vòng quay (ne)) và thể tích làm việc VM.

Hình 4.16 thể hiện quan hệ giữa hiệu suất HSvới vào chế độ làm việc của động

cơ (Me, ne) và tỷ số truyền thủy lực iH. Hình 4.17 thể hiện hiệu suất HSvới vào

S H

chế độ làm việc của động cơ (Me, ne) và tỷ số truyền của hộp số iG.

Hình 4.15. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô

men động cơ (Me), số vòng quay động cơ (ne) và thể tích VM

Hình 4.16. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô

S H

men động cơ (Me), số vòng quay động cơ (ne) và tỷ số truyền bộ biến tốc thủy lực (iH)

Hình 4.17. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô

men động cơ (Me), số vòng quay động cơ (ne) và tỷ số truyền hộp số (iG)

Kết quả trên các hình từ 4.15 đến 4.17 cho thấy, trong toàn miền khảo sát,

hiệu suất của HSPNCS (HS) đạt giá trị khá cao (từ 0.72 đến 0.94).

Để làm rõ hơn kết quả, hình 4.18 thể hiện quan hệ giữa hiệu suất và mô

men Me tương ứng với 3 tỷ số truyền khác nhau của hộp số. Để đánh giá ảnh

hưởng của mô men đến hiệu suất HSPNCS, cần xem xét kết quả khi giữ tỷ số

truyền HSPNCS không đổi (thể tích làm việc VM không đổi, hình 4.18). Với

cùng một giá trị thể tích làm việc VM (giữ nguyên 1 giá trị tỷ số truyền thủy

lực iH, đồng nghĩa là giữ 1 giá trị tỷ số truyền hộp số iG), trong vùng làm việc

chính của động cơ (từ số vòng quay nM đến nmax), khi mô men kéo của động

cơ Me tăng, số vòng quay động cơ ne giảm, hiệu suất của HSPNCS (HS) có xu

hướng tăng dần. Hiệu suất của hộp số đạt giá trị nhỏ nhất là 0.72 khi mô men

động cơ Me = 20 Nm, tỷ số truyền iG = 0.48 (tương ứng VM = VMmax). Hiệu

suất của hộp số đạt giá trị lớn nhất là 0.94 khi mô men động cơ Me = 130 Nm, tỷ số truyền iG = 0.97 (tương ứng VM = 2 cm3/vòng). Như vậy cho thấy hiệu

suất của HSPNCS sẽ đạt ở mức cao gần với hộp số cơ khí ở chế độ mô men

Me có giá trị lớn (các chế độ tải nặng).

Để đánh giá ảnh hưởng của tỷ số truyền đến hiệu suất HSPNCS, kết quả

cho thấy khi thể tích làm việc VM tăng, tỷ số truyền thủy lực iH = VP/VM giảm

và kéo theo tỷ số truyền của hộp số iG giảm. Khi lực cản nhỏ, động cơ làm

việc ở chế độ mô men kéo nhỏ. Lúc này động cơ làm việc ở nhánh điều tốc

của đặc tính ngoài, khi VM tăng (khi iG giảm), hiệu suất của HSPNCS (HS) có

xu hướng tăng dần.

Hình 4.18. Quan hệ giữa hiệu suất hộp số phân nhánh công suất (HS) với mô

men động cơ (Me), khi tỷ số truyền hộp số (iG) thay đổi

Khi tăng tải trọng, động cơ cần phát ra mô men kéo lớn trong dải số vòng

quay từ nM (mô men cực đại) đến nN (công suất cực đại) của đặc tính ngoài. Lúc

này, khi VM tăng (khi iG giảm), hiệu suất của HSPNCS (HS) có xu hướng giảm

dần. Như vậy cho thấy hiệu suất của HSPNCS sẽ đạt ở mức cao gần với hộp số

cơ khí ở các chế độ tải nặng. Qui luật này là phù hợp với lý thuyết, trong trường

hợp tải trọng lớn, công suất sẽ truyền chủ yếu sang nhánh cơ khí và hiệu suất sẽ

đạt ở mức cao của bộ truyền cơ khí.

Mô hình thí nghiệm hoạt động ổn định, có khả năng thực hiện các thí nghiệm theo yêu cầu để phân tích tĩnh học và động lực học của HSPNCS. Bệ thử

thí nghiệm cũng có ưu điểm là: nhờ kết nối trực tiếp các tín hiệu cảm biến trong

phần mềm DASYLAB, có thể xác định hiệu suất hộp số phụ thuộc điểm làm việc

trên đặc tính động cơ cũng như phụ thuộc tỷ số truyền của HSPNCS. Các tính chất động lực học và điều khiển cũng có thể được phân tích trong thí nghiệm, thí dụ quá trình biến thiên của tải trọng, quá trình khởi hành, sang số hoặc tăng giảm ga của động cơ truyền lực.

4.1.4. Kết luận

Những kết quả nghiên cứu ở phần 4.1 về lựa chọn cấu hình HSPNCS (kiểu

CRO), định cỡ cho các phần tử của hộp số, xây dựng mô hình mô phỏng hoạt

động của hộp số, tính toán mô phỏng và thí nghiệm của luận án để đánh giá độ

tin cậy của mô hình mô phỏng bằng bệ thử hộp số cho thấy khả năng phát triển

mô hình HSPNCS theo cấu hình CRO cho máy kéo nông nghiệp. Việc thay đổi

thể tích làm việc của các phần tử bơm/ động cơ của bộ biến tốc thủy lực (từ 0 đến

đến giá trị cực đại), cho phép điều khiển tỷ số truyền (iG) của HSPNCS trong dải

từ 0 đến 1. Bệ thử thí nghiệm được chế tạo phù hợp với điều kiện hiện có. Bệ thử

hoạt động ổn định, cho phép đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng, tái hiện

nguyên lý hoạt động của HSPNCS. Ngoài ra, việc phân tích đánh giá hiệu suất

của HSPNCS được thực hiện trên bệ thử cho thấy, khi điều khiển thay đổi thể

tích VM (trong khi giữ nguyên VP = VPmax), hiệu suất của HSPNCS đạt giá trị cao

(0,72 đến 0,94) trong khoảng tỷ số truyền từ 0,5 đến 1,1. Các kết quả nghiên cứu

của phần 4.1 là cơ sở để phát triển mô hình HSPNCS cho nghiên cứu ứng dụng

HSPNCS trên máy kéo cụ thể trong một số chế độ làm việc điển hình của máy

kéo nông nghiệp.

4.2. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA

MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG

SUẤT

4.2.1. Xác định kết cấu hệ thống truyền lực của máy kéo sử dụng hộp số

phân nhánh công suất

4.2.1.1. Phác thảo sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng của máy kéo sử dụng

hộp số phân nhánh công suất

Trên cơ sở HSPNCS đã nghiên cứu trong phần 4.1, phối hợp với động cơ

và hệ thống di động của máy kéo cỡ nhỏ (máy kéo YANMA 3000) đang hoạt

động trong điều kiện sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam, có thể phác thảo sơ đồ

truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nghiên cứu như hình 4.19.

1- Động cơ diesel; 2- HSPNCS; 3- Hộp số phân tầng; 4- Truyền động vi sai; 5- Truyền lực cuối;

6- Bánh xe chủ động.

Hình 4.19. Sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng của máy kéo nông nghiệp sử dụng hộp số vô cấp phân tầng

Để xác định các thông số cơ bản của hệ thống truyền lực, cần tách cấu trúc thành các khối chức năng và tương tác giữa các khối trong quá trình thực hiện các công việc trong sản xuất nông nghiệp.

Nếu máy kéo làm việc với máy nông nghiệp thông qua lực kéo ở móc, thì

a) Truyền lực không phân nhánh; b) Truyền lực phân nhánh.

hệ thống truyền lực là nối tiếp, không phân nhánh (Hình 4.20a). Còn nếu một phần công suất tạo ra lực kéo ở móc và một phần truyền cho bộ phận làm việc chuyển động quay của máy nông nghiệp thì hệ thống truyền lực của máy kéo là phân nhánh (Hình 4.20b).

Hình 4.20. Sơ đồ truyền công suất của máy kéo nông nghiệp

Đối với hệ thống truyền lực không phân nhánh, dòng năng lượng từ động

cơ (ĐC: Me, e) truyền qua hệ thống truyền lực (HTTL – HSPNCS: Hộp số phân

tầng, Vi Sai, Truyền lực cuối- MB, B) đến bộ phận di động (DĐ) là các bánh xe

chủ động. Tại đây có sự biến đổi chuyển động quay của bánh xe thành chuyển động tịnh tiến của máy kéo (MK: FK, vm). Máy nông nghiệp (MNN) nhận lực kéo, thực hiện các công việc kéo trong nông nghiệp và tác động trở lại là lực cản kéo FC. Hộp số phân tầng được trang bị để tạo thành hai khoảng tỷ số truyền vô cấp, tương ứng với công việc trên đồng và và vận chuyển trên đường.

Đối với hệ thống truyền lực phân nhánh, dòng năng lượng được tách ra một

phần truyền qua trục trích công suất (TTCS) làm quay bộ phận làm việc chuyển động quay của máy nông nghiệp và tác động trở lại làm mô men cản MC.

Các phần tử truyền động ĐC, DĐ, MK và MNN được chọn tương ứng với máy

kéo YANMA 3000, các thông số còn lại cần xác định là hệ thống truyền lực, phân bố tỷ số truyền từ HSPNCS, hộp số phân tầng, truyền động vi sai và truyền lực cuối.

4.2.1.2. Xác định tỷ số truyền của các phần tử truyền lực

Hệ thống truyền lực của máy kéo được thiết kế sao cho luôn có thể lựa chọn được chế độ làm việc với hệ số cao nhất của hệ thống di động tương ứng với hiệu suất cao nhất cao nhất của HSPNCS và sử dụng tối ưu công suất của động cơ.

Dựa trên cơ sở chất lượng làm đất và các công việc trong canh tác nông nghiệp cũng như loại công cụ kéo theo, có thể lựa chọn tỷ số truyền ip = 1 khi làm việc trên đồng để có vận tốc chuyển động 7÷15 km/h. Khi vận chuyển trên đường có thể chọn vận tốc đến 30 km/h (Skirde & Gigling, 1996; Hansel, 1991; Viet Duc Bui,

2007). Đối với máy kéo cỡ công suất  30 mã lực có thể chọn vận tốc vận chuyển trên đường đến 25 km/h. Do đó với hộp số phân tầng có tỷ số truyền ip = 2 có thể chọn vận tốc từ 0 ÷ 12.5 km/h trong chế độ làm việc trên đồng.

Tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực được xác định từ chế độ vận

hành lớn nhất khi vận chuyển:



n e n B

 n r e B 30 v m

(4.26)

Trong đó:

ne: số vòng quay định mức của động cơ

rB: bán kính bánh xe chủ động

vB: vận tốc máy kéo, chọn vB = 25 km/h.

Từ các số liệu của động cơ và hệ thống di động máy kéo YANMA 3000 xác

định được tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực máy kéo.

Nghiên cứu công thức:



i i i p vs c

1 i G

=24,7 (4.27)

Trong đó: iG là tỷ số truyền HSPNCS, chọn iG = iGmax  1.

ip: tỷ số truyền phân tầng, tại chế độ vận chuyển chọn ip = 1.

ivs: tỷ số truyền vi sai.

ic: tỷ số truyền lực cuối.

Với tích số ivs.ic = 24.7 iG, có thể dễ dàng lựa chọn tỷ số truyền cho mỗi

phân tử truyền lực:

Truyền động vi sai ivs= 4.5 và truyền lực cuối ic = 6.

4.2.1.3. Khả năng lựa chọn chế độ làm việc tối ưu của máy kéo khi làm việc trên đồng

Máy kéo làm việc ở chế độ tối ưu khi đáp ứng đồng thời các yêu cầu sau

đây:

- Động cơ làm việc ở chế độ tối ưu: chế độ công suất cực đại hoặc suất tiêu

hao nhiêu liệu cực tiểu;

- Hệ thống truyền lực có hiệu suất cao nhất;

- Hệ thống di động có hiệu suất cao nhất.

a. Động cơ máy kéo

Việc thay đổi số vòng quay động cơ không những làm thay đổi điểm làm

việc của động cơ mà còn tác động đến các phần tử truyền lực kế tiếp. Trên cơ sở

số vòng quay đã chọn và tải trọng ngoài cho trước, động cơ sẽ hoạt động tại một

điểm đã làm việc xác định. Các điểm làm việc của động cơ có thể được biểu diễn

phụ thuộc lẫn nhau giữa công suất, số vòng quay và suất tiêu hao nhiên liệu ở

một dạng đặc tính theo số vòng quay của động cơ. Đặc tính động cơ được giới

hạn bởi đặc tính ngoài (đầy tải) và một nhánh điều tốc (hình 4.21). Hình 4.21 còn

giới thiệu một số điểm làm việc đặc trưng của động cơ máy kéo, là kết quả thống

kê đánh giá kết quả thí nghiệm thực địa trên một đặc tính đa chiều (Skirde &

Gigling, 1996).

Đặc tính toàn tải

OOL

Hình 4.21. Đặc tính đa chiều của động cơ Diesel sử dụng trục trích công suất

Hình 4.21 giới thiệu khái quát các điểm làm việc của động cơ máy kéo khi

thực hiện các công việc nông nghiệp. Trong vùng 1, động cơ hoạt động gần với công suất cực đại là các điểm làm việc đặc trưng cho các công việc tiêu biểu cho các trường hợp tải trọng kéo và tải trọng trục trích công suất (cày, bừa, phay, làm

đất...). Vùng 2 đặc trưng cho vùng làm việc bình thường của trục trích công suất(TTS) và vận chuyển trên đồng. Khi đó yêu cầu công suất bằng khoảng một nửa công suất danh nghĩa. Khi máy kéo vận chuyển trên đường, động cơ làm

việc tại vùng 3. Khi thực hiện việc chăm sóc không sử dụng trục trích công suất, động cơ làm việc tại vùng 4. Vùng 5 là vùng hoạt động không tải. Vùng 6 là vùng làm việc gần với tiêu chí suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu.

Có thể nhận thấy, các điểm làm việc đều nằm rất xa so với điểm làm việc tối

ưu theo suất tiêu hao nhiêu liệu (vùng 6). Chỉ có vùng 1 nằm gần với điểm làm việc tối ưu theo công suất cực đại. Như vậy, để tối ưu hóa hoạt động của động cơ theo các tiêu chí khác nhau cần có các chiến lược điều khiển động cơ tương ứng.

Bố trí HSPNCS trong hệ thống truyền lực của máy kéo cho khả năng lựa

chọn vô cấp điểm làm việc trên đường hyperbol công suất của động cơ tương ứng với một chiến lược điều khiển. Điểm làm việc là điểm cắt của đường đẳng công suất với nhánh điều tốc của đặc tính động cơ. Về nguyên lý, có thể điều khiển mỗi điểm bên trong vùng làm việc nhờ thay đổi tỷ số truyền của hộp số. Theo mỗi tiêu chuẩn (tối ưu trục trích công suất, tối ưu công suất hoặc tối ưu tiêu hao nhiên liệu) sẽ có một chiến lược điều khiển tương ứng (Chengyan, 2010; Heinz, 2010).

Điều khiển tối ưu trục trích công suất (TTS) tương ứng với việc xác định số vòng quay không đổi, việc này chỉ cần bộ điều tốc mọi chế độ là có thể thực hiện được. Chiến lược điều khiển có nhiệm vụ ưu tiên sự tương thích của số vòng quay động cơ với vận tốc chuyển động của máy kéo và tránh trạng thái quá tải cục bộ của động cơ.

Điều khiển tối ưu theo suất tiêu hao nhiên liệu tương ứng với đường suất tiêu hao nhiêu liệu cực tiểu OOL (Optimal operation line). Việc cấp giá trị đặt vận tốc không làm cố định điểm làm việc của động cơ theo điểm cắt của công suất yêu cầu hiện tại với nhánh điều tốc. Tỷ số truyền được xác định bởi số vòng quay hiện tại.

Điều khiển tối ưu theo công suất cực đại tương ứng với đặc tính toàn tải của động cơ. Tại chế độ làm việc nặng (tải trọng kéo lớn), số vòng quay động cơđược điều khiển theo đường đặc tính toàn tải (đặc tính ngoài). Tỷ số truyền hộp số cần được điều khiển sao cho điểm làm việc của động cơ luôn nằm trước điểm làm việc quá tải (Memax). Số vòng quay trong chiến lược điều khiển này là số vòng quay danh nghĩa. Vận tốc làm việc của máy kéo luôn được thay đổi theo số vòng quay của động cơ và tỷ số truyền của hộp số, nhờ đó vận tốc máy kéo có thể thay đổi trong khoảng 33% (Renius, 2005).

140

120

100

)

m N

(

0 1000

1500

2500

3000

2000 (v/ph)

Trong nghiên cứu này, động cơ máy kéo nghiên cứu là động cơ YM-3T84 trên máy kéo YANMA-3000. Đặc tính động cơ được xây dựng bằng thực nghiệm và có thể tham khảo trong (Hàn Trung Dũng, 2014) (Hình 4.22). Độ lệch điều chỉnh từ số vòng quay không tải cực đại đến số vòng quay danh nghĩa có giá trị khoảng 4.5%, khoảng điều khiển điểm làm việc theo đặc tính ngoài là 1250 v/ph.

Hình 4.22. Đặc tính ngoài của động cơ YM-3T84 trên máy kéo YANMA 3000

Bảng 4.8. Thông số kỹ thuật động cơ YM-3T84

Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị

TT

1 2

Công suất danh nghĩa Số vòng quay lớn nhất

kW vòng/ phút

24.6 2800

Pev nemax

Số vòng quay danh nghĩa

3 4 Mô men danh nghĩa

vòng/ phút Nm

2650 100

nN MN

5 Mô men lớn nhất 6

Nm vòng/ phút

135 1600

Số vòng quay tại Memax

Memax nM

b. Hệ thống truyền lực

Hiệu suất của hệ thống truyền lực phân cấp phụ thuộc vào số bánh răng ăn khớp theo mỗi số truyền, tuy nhiên thường được giả thiết là không đổi. Đối với hệ thống truyền lực có HSPNCS, hiệu suất phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ phân nhánh

dòng công suất thủy lực với dòng công suất cơ khí. Dòng công suất cơ khí càng lớn thì hiệu suất HSPNCS càng lớn và gần với hiệu suất của bộ truyền cơ khí.



i i 1 2

Trong trường hợp máy kéo nghiên cứu sử dụng HSPNCS có cấu hình CRO. Với các thông số đã chọn của bộ truyền hành tinh và bộ biến tốc thủy lực, tỷ số truyền của HSPNCS được xác định theo công thức:





i 1

 i 0 H i H i

  1 i i i 0 2 i

  1 i i 0 i 1

(4.28)

với i0 = 2.11; i1 = 2/3; i2 = 1/3 là các tỷ số truyền trong bộ truyền hành tinh

và iH = VP/VM là tỷ số truyền của bộ biến tốc thủy lực của HSPNCS đã thiết kế.

Hình 4.23. Quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp số phân nhánh công suất (iG) với tỷ số truyền của bộ biến tốc thủy lực (iH)

Có thể thấy iG sẽ thay đổi theo iH (hình 4.23) và do đó iG thay đổi theo sự

thay đổi của VP và VM. Có thể nhận thấy, khi iH  ∞ thì iG = iGmax 1.03. Vùng

điều khiển tỷ số truyền iG có hiệu suất tốt nhất là vùng có giá trị gần với iGmax.

Nếu lựa chọn vùng điều khiển tự động để giữ điểm làm việc tối ưu là vùng điều

khiển thể tích làm việc của động cơ thủy lực VM từ VMmax 0, trong khi giữ VP =

VPmax sẽ chọn được vùng điều khiển tỷ số truyền có hiệu suất tốt nhất.

c. Bộ phận di động

Bộ phận di dộng ở đây là bánh xe chủ động của máy kéo nghiên cứu, là một

phần tử truyền động để biến chuyển động quay của bánh xe thành chuyển động

tịnh tiến của máy kéo. Quá trình biến đổi năng lượng tại diện tích tiếp xúc giữa

bánh xe với nền đất ruộng làm xuất hiện hao tổn công suất do trượt quay và cản

chuyển động. Hao tổn công suất từ bánh xe chủ động đến máy kéo được mô tả

bởi hiệu suất trung bình bộ phận di động L, được tính bằng là tỉ lệ giữa công

v m

F K F V

suất kéo của máy kéo với công suất truyền từ động cơ đến bánh chủ động.





 1

 

 L

k 

P k P cd



v et

F K F V

F L F V

  

  

(4.29)

Trong đó: PK, Pcd là công suất kéo và công suất trên trục bánh xe chủ động;

FV là tải trọng thẳng đứng trên bánh xe chủ động; FK, FL, là lực kéo, lực cản lăn,

tương ứng các hệ số k = FK/FV và f = FL/FV là hệ số kéo, hệ số cản lăn;  độ trượt

của bánh xe chủ động.

Độ trượt của bánh xe chủ động là tỷ lệ hao tổn vận tốc của máy kéo trong



v B

quá trình biến đổi năng lượng chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến.





r B B 

 r B B











C  3

C 1

 x

(4.30)

2





f C C 0

 4

Các hệ số k, f phụ thuộc vào độ trượt có thể thể tính theo mô hình bánh xe Buckhardt với các hệ số được xác định bằng thực nghiệm cho bánh xe máy kéo YANMA-3000 (Hàn Trung Dũng, 2014):  1 (4.31)

với C0 = 0.08; C1 = 0.76; C2 = 9; C3 = 0.18; C4 = 0.12.

Đặc tính bánh xe và hiệu suất bộ phận di động có thể biểu diễn đồ thị trên

hình 4.24. Có thể nhận thấy hiệu suất L cao nhất có thể đạt được ở khoảng độ

trượt  trong khoảng 0,05 ÷ 0,2, tương ứng với hệ số x trong khoảng 0,4 ÷ 0,6.

Hình 4.24. Quan hệ giữa hiệu suất L, hệ số kéo K và hệ số truyền lực dọc x

với độ trượt bánh xe 

d. Khảo sát khả năng lựa chọn điểm làm việc tối ưu của máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất

Từ sơ đồ truyền lực không phân nhánh (hình 4.20a) và kết quả phân tích đặc tính của các phần tử truyền lực (Mục 4.1.3.1 đến 4.1.3.3), phương trình cân bằng công suất động cơ với công suất bánh xe chủ động như sau:

M n

 

e e T

M n B B

(4.32)

Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực i có thể được xác định theo công thức:



n e  n M B

M B  e TC

 F r x V B  M e TC

(4.33)

Nếu tách phần giá trị không đổi của tỷ số truyền hệ thống truyền lực i=iT/iG với iT là tỷ số truyền cơ khí từ trục thứ cấp HSPNCS đến trục bánh xe, sẽ tính được iG theo công thức:



i G

 M i e TC T  F r x V B

(4.34)

Trong đó TC = T.TG với TG là hiệu suất của HSPNCS phụ thuộc tỷ số

truyền iG, mô men và số vòng quay trục sơ cấp; T là hiệu suất của phần cơ khí trong HTTL sau hộp số đến trước bánh xe chủ động.

Theo chiến lược điều khiển tối ưu công suất, cần giữ điểm làm việc không

đổi tương ứng với tỷ số truyền:



i G

M e  x

 i 0 TC T 0 F r 0 V B

(4.35)

Nếu tải trọng kéo thay đổi đến giá trị mới tương ứng xi và để không làm

TGi

thay đổi điểm làm việc ban đầu, cần chuyển đến tỷ số truyền mới:



i Gi

  i F 0 G V 0 0 x   F 0 xi Vi TG

(4.36)

Giả thiết tải trọng thẳng đứng FV = const khi chuyển số thì tỷ số truyền cần

TGi

điều khiển đến sẽ là:



i Gi

i G

  0 x   xi TG

(4.37)

Việc xác định vùng điều khiển số vòng quay động cơ, vùng điều khiển tỷ số truyền và vùng thay đổi vận tốc làm việc của máy kéo được thực hiện theo công thức (4.37). Sự biến thiên của tải trọng kéo FK dẫn đến thay đổi hệ số k và thay

đổi x xung quanh giá trị ban đầu x0. Nếu x < x0, điểm làm việc sẽ được tự động điều chỉnh nhờ bộ điều tốc, số vòng quay động cơ sẽ thay đổi trong khoảng

từ neN đến nemax (2650 ÷ 2800 v/ph). Nếu x > x0, cần điều khiển tỷ số truyền iG để giữ không đổi điểm làm việc ban đầu (MN, nN). Khoảng điều khiển số vòng quay động cơ cho phép khi thay đổi iG từ nMemax đến neN (1600 v/ph < ne< 2650 v/ph). Trong điều kiện thực tế, tải trọng kéo chỉ biến động tương ứng với hệ số

bám trong khoảng x0 < x < xmax (hình 4.25). Từ khoảng thay đổi tỷ số truyền iG xác định được khoảng điều khiển tỷ số truyền iH theo công thức (4.28) và tìm được khoảng điều khiển thể tích VM tương ứng.

Hình 4.25. Sơ đồ khối tính toán khả năng lựa chọn điểm làm việc tối ưu của liên hợp máy

Sơ đồ các bước tính toán khả năng lựa chọn điểm làm việc và vùng thay đổi tỷ số truyền để có được điểm làm việc tối ưu trong công việc cày đất, làm đất được thể hiện trên hình 4.25.

Có thể lựa chọn bắt đầu từ động cơ, giữ số vòng quay động cơ ở chế độ danh nghĩa (MN, NN). Thay đổi iH để tính điểm làm việc trên đặc tính của hệ thống di

động và đánh giá vùng hiệu L suất khi thay đổi iH trong khoảng điều khiển VM.

Các thông số trong sơ đồ được tính toán như sau:



i i i p vs c

1 i G

(4.38) - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực:

Trong đó ip = 2 khi máy kéo làm việc trên đồng.

iG là tỷ số truyền HSPNCS, được tính theo công thức (4.28).

Tỷ số truyền động vi sai ivs = 4.5 và truyền lực cuối ic = 6 với hệ thống

truyền lực đã thiết kế.

- Lực kéo tiếp tuyến được tính theo công thức:





  9 e

0.18

F T

F V

(4.39)

 0.76 1





 

M r B





- Vận tốc thực tế của máy kéo:

 1

 

v B

r B B

(4.40)



 0.08 0.12

- Lực cản lăn của máy kéo:



 

F L

 F f F V V

(4.41)

(4.42) - Lực kéo của máy kéo: FK = FT - FL

-Hiệu suất hệ thống di động:





 

 L

F  1K F T

(4.43)



v B

Trong các công thức trên, độ trượt của bánh xe chủ động () là tỷ lệ hao tổn vận tốc của máy kéo trong quá trình biến đổi năng lượng chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến.



  1



r B B 

 r B B

v B  r B B

(4.44)

Các thông số ban đầu: Me = MeN; ne = neN; iH = iHmax.

Kết cấu của HTTL đã lựa chọn là cấu hình cơ sở và thông số đầu vào cho

mô hình mô phỏng máy kéo có sử dụng HSPNCS sẽ được trình bày ở phần 4.2. Mô hình mô phỏng có thể được sử dụng để phân tích quá trình động lực học và điều khiển cho máy kéo trong một số trường hợp làm việc điển hình.

4.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất

Từ sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng (hình 4.19) và sơ đồ truyền động

phân nhánh (hình 4.20b) có thể xây dựng mô hình động lực học truyền động của máy kéo sử dụng HSPNCS (hình 4.26).

Hình 4.26. Mô hình động lực học truyền động của máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất

Dòng công suất từ động cơ (Me, e) được phân nhánh tại bộ truyền hành tinh

thành hai nhóm truyền động song song. Nhánh thứ nhất truyền từ động cơ qua vành

răng đến bơm (P), và biến đổi qua bộ biến tốc thủy lực thành (MM, M) tại trục động

cơ thủy lực (M). Nhánh thứ hai truyền từ động cơ qua bánh răng mặt trời S (MS, S),

sau đó nhập dòng với nhánh thủy lực tại trục thứ cấp và truyền đến bánh xe chủ

động (MB, B). Bánh xe chủ động tương tác với nền đất qua diện tiếp xúc và biến

đổi thành chuyển động thẳng với lực kéo FK và vận tốc vB.

Trong mô hình động lực học có hai vị trí xảy ra sự sai lệch truyền động. Vị

trí thứ nhất tại bộ truyền hành tinh 3 trục, sai lệch giữa vận tốc góc e và vận tốc

góc B quy dẫn đến trục khuỷu. Sai lệch này xuất hiện do tính chất của bộ truyền

hành tinh và tính chất truyền động của bộ biến tốc thủy lực. Vị trí thứ hai là tại

diện tích tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. Đây là sai lệch giữa vận tốc lý

thuyết BrB với vận tốc thực tế vB xuất hiện do tính chất bám giữa bánh xe với

mặt đường. Từ mô hình động lực học có thể xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động

lực học của máy kéo sử dụng HSPNCS (hình 4.27). Ý nghĩa cơ bản của các khối

chức năng đã được trình bày ở bảng 3.1.

Hình 4.27. Sơ đồ mô phỏng động lực học chuyển động dọc của máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất





 b k





& .  P

i 1

  P

(4.45)





b k 







i 2

&  . M

  M

M i T





& mv B

F T

F K

F L

     

Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của toàn hệ tương ứng:

Trong hệ phương trình (4.45), các ký hiệu cho các thông số của các phần tử động cơ, bộ hành tinh và biến tốc thủy lực đã trình bày trong mô hình mô phỏng động lực học và điều khiển HSPNCS (phần 4.1). Đối với máy kéo cần bổ sung các quan hệ như sau:



- Tỷ số truyền (cơ khí) của hệ thống truyền lực từ trục ra hộp số đến bánh xe:

i T

i i i p vs c

(4.46)

- Các thành phần lực kéo tiếp tuyến FT, lực cản lăn FL, lực kéo của máy kéo FK được tính theo các công thức từ (4.39) đến (4.42), trong đó độ trượt của bánh

xe chủ động () được tính theo công thức (4.44).

4.2.3. Khảo sát một số chế độ động lực học và điều khiển của máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất

Nghiên cứu động lực học và điều khiển của máy kéo sử dụng HSPNCS trong một số chế độ làm việc điển hình là nội dung cần thiết để đánh giá hiệu quả sử dụng của HSPNCS. Các chế độ điển hình được khảo sát trong nội dung này

bao gồm các quá trình: khởi hành, chuyển số, thay đổi lực kéo (thay đổi tải trọng

máy kéo). Từ đó đề xuất nghiên cứu điều khiển HSPNCS để có tỷ số truyền phù hợp với sự thay đổi tải trọng máy kéo nhằm đạt được công suất tối ưu. Đây chính là bước tính toán thử nghiệm lý thuyết, làm cơ sở cho bài toán thiết kế bộ điều khiển HSPNCS sử dụng cho máy kéo nông nghiệp.

Trong nghiên cứu này, các thông số kỹ thuật của các cụm phần tử trong hệ thống được trình bày trong bảng 4.9. Một số hệ số cản nhớt tham khảo (Hansen, 1991), các thông số khác đo trực tiếp trên máy kéo và các cụm công tác.

Bảng 4.9. Thông số kỹ thuật sử dụng trong mô phỏng hoạt động máy kéo

Thông số

Hệ số ma sát cản nhớt của bánh răng Hệ số cản nhớt của bơm Hệ số cản nhớt của động cơ

TT 1 2 3 4 Mô men quán tính của khối lượng quay quy

Ký hiệu b kP kM JP

Đơn vị Giá trị 0.018 Nm.s 0.02 Nm.s 0.02 Nm.s kg.m2 32.8

dẫn về trục bơm

kg.m2

5 Mô men quán tính quy dẫn của tất cả phần

chuyển động của xe đến trục thứ cấp hộp số (trục động cơ thủy lực) Hệ số nén của dầu thủy lực Tỷ số truyền lực chính Số răng bánh răng bao Số răng bánh răng mặt trời

mm2/N - - - cm3

0.001 2.11 57 27 16.5

6 7 8 9 10 Thể tích dầu tích lũy trong nhánh cao áp của

 i0 zR zS V1

bộ biến tốc thủy lực

cm3

18.5

11 Thể tích dầu tích lũy trong nhánh thấp áp

của bộ biến tốc thủy lực

12 Thể tích riêng cực đại của bơm trong bộ

cm3/vòng

VPmax

biến tốc thủy lực

13 Thể tích riêng cực đại của động cơ trong bộ

cm3/vòng

VMmax

biến tốc thủy lực

2/3

14 Tỷ số truyền cặp bánh răng dẫn động biến

tốc thủy lực

1/3

15 Tỷ số truyền cặp bánh răng nhập dòng biến

tốc thủy lực

- - - m/s2 m kg N

2 4.5 6 9.81 0.62 1300 m*g

16 Tỷ số truyền phân tầng 17 Tỷ số truyền vi sai 18 Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng 19 Gia tốc trọng trường 20 Bán kính bánh xe máy kéo 21 Khối lượng máy kéo 22 Tải trọng thẳng đứng trên bánh xe chủ động

ip ivs ic g rB m FV

32.8

4.2.3.1. Khởi hành máy kéo

Quá trình khởi hành máy kéo sử dụng HSPNCS hoàn toàn khác với máy

kéo có hộp số phân cấp do đã loại bỏ ly hợp ra khỏi hệ thống truyền lực. Quá

trình khởi hành là quá trình thay đổi vô cấp tỷ số truyền iH từ giá trị iH = 0, hoặc

cụ thể hơn là đặt VM = VMmax và thay đổi VP từ 0 đến VPmax. Quá trình này diễn ra

theo 3 giai đoạn:

* Giai đoạn đầu: Máy kéo đứng yên.

Động cơ làm việc ổn định ở nhánh điều tốc của đặc tính ngoài với:



b k 





 e 0

  

 1 i 0  i i  0 1

(4.47)

Nếu bỏ qua ma sát của các cặp bánh tăng thì động cơ làm việc ở chế độ

không tải với Me  0; e = emax.

VP = 0; VM = VMmax dẫn đến QP = QM = 0; p = 0.

MP = MM = MS = 0; M = S/i2 = 0.

vB = 0;  = 0; FT = FK + 0.08*FV

* Giai đoạn 2: Khởi hành, rời chỗ máy kéo.

- Từ t=0 đến t= t1 tăng VP từ 0 đến VPmax.

- Khi MM + MSi2 ≤ MB/iT và MB/rB = FT< FK + 0.08*FV thì:

S = 0; M = 0; vB = 0  máy kéo vẫn đứng yên.

- Khi MM + MSi2 > MB/iT và MB/rB = FT < FK + 0.08*FV thì M > 0, trục thứ

cấp của HSPNCS bắt đầu quay. S = M tăng dần, e giảm dần. vB > 0, máy kéo

chuyển động rời chỗ.

* Giai đoạn 3: Máy kéo chuyển động đều.

- Khi MM + MSi2 > MB/iT và MB/rB = FT = FK + 0.08*FV thì HSPNCS làm

việc ổn định, e và M giữ ở trạng thái cân bằng, vB = const, máy kéo chuyển

động đều.

Trong nghiên cứu này, quá trình khởi hành được thực hiện khi thể tích làm

việc của động cơ thủy lực của biến tốc ở chế độ VM = VMmax, lực kéo của máy

kéo Fk = 6867 N (700*g), thời gian thay đổi thể tích VP từ 0 đến VPmax tương ứng

trong 3 lần khảo sát là 10 giây, 30 giây và 50 giây (hình 4.28). Kết quả khảo sát

sự biến đổi của các thông số động lực được trình bày trên hình 4.29 và 4.30.

Hình 4.28. Quy trình thay đổi thể tích VP trong quá trình khởi hành

Hình 4.29. Mô men (a) và số vòng quay động cơ (b) trong quá trình khởi hành máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất

Hình 4.30. Số vòng quay trục ra hộp số (a) và vận tốc máy kéo (b) trong quá trình khởi hành

Hình 4.29 và hình 4.30 thể hiện sự biến đổi của các thông số động lực học

trong quá trình khởi hành tương ứng với 3 khoảng thời gian tăng thể tích bơm (VP)

của bộ biến tốc. Trên hình vẽ, các đường nét liền, nét đứt và nét liền chấm tròn

tương ứng với thể tích VP từ giá trị 0 đến VPmax trong các khoảng tăng thể tích tương

ứng với 10 giây, 30 giây và 50 giây. Kết quả cho thấy quy luật thay đổi của mô men

(Me) và số vòng quay của động cơ (ne), cũng như quy luật thay đổi của số vòng quay

trục ra (nM) và vận tốc bánh xe máy kéo (vB) phù hợp với lý thuyết:

- Khi thời gian thay đổi thể tích càng lớn (thay đổi chậm) thì quá trình biến

đổi mô men và số vòng quay động cơ, cũng như biến đổi số vòng quay trục ra

hộp số và vận tốc bánh xe máy kéo giữa 2 trạng thái cân bằng càng chậm.

- Ban đầu khi khởi động máy kéo, VP = 0, lúc này động cơ làm việc ở chế độ

không tải (Me0, ne0), máy kéo đứng yên (nM = 0; vB = 0). Khi VP tăng, tỷ số truyền

bộ biến tốc iH tăng, mô men được cấp cho nhánh thủy lực tăng, do đó mô men của

động cơ tăng lên, số vòng quay giảm xuống. Khi nM > 0, áp suất thủy lực tăng dần,

thắng được lực cản làm cho máy kéo từ từ tăng vận tốc chuyển động (vB > 0).

- Khi VP = VPmax và giữ ổn định thì HSPNCS làm việc ổn định, ne và nM giữ

ở trạng thái cân bằng (nM  ne.iG), vB = const, máy kéo chuyển động đều.

4.2.3.2. Chuyển số và thay đổi vận tốc máy kéo

Quá trình chuyển số là quá trình thay đổi tỷ số truyền khi máy kéo đang

chuyển động vào một vận tốc xác định. Đối với máy kéo sử dụng HSPNCS, việc

chuyển số được thực hiện nhờ thay đổi vô cấp tỷ số truyền thủy lực iH = VP/VM.

Khi quan tâm nhiều hơn đến việc điều khiển, việc thay đổi iH có thể được thực

hiện khi điều khiển thay đổi VM. Quá trình chuyển số bằng cách thay đổi thể tích

VM được thực hiện trong 3 giai đoạn:

* Giai đoạn 1: máy kéo đang chuyển động ở một vận tốc ban đầu vB1, tương

ứng VM = VM1; iH = VPmax/VM1. Trong nghiên cứu này, VM1 = VMmax = 37 cm3/vòng. Các thông số động lực học (chuyển động, vận tốc, lực, mô men) đang



& 0; v



c t ons

& &    M

). ở trạng thái cân bằng (

* Giai đoạn 2: thực hiện chuyển số, thay đổi VM từ VM1 đến VM2. Trong

nghiên cứu này, VM2 = 4 cm3/vòng.

* Giai đoạn 3: giữ VM = VM2. Các thông số động lực học (chuyển động, vận tốc, lực, mô men) đạt đến một trạng thái cân bằng mới, kết thúc quá trình chuyển số.

Quá trình nghiên cứu này cũng thực hiện khảo sát ảnh hưởng của tốc độ

chuyển số, thông qua thời gian thay đổi thể tích VM từ VM1 đến VM2 (hình 4.31).

Ngoài ra, khảo sát quá trình chuyển số được thực hiện với 2 giá trị của lực kéo FK

= 4905 N và FK = 6867 N (tương ứng 500*g và 700*g). Diễn biến của các các

thông số động lực học trong quá trình chuyển số tương ứng với 3 chế độ thời

gian thay đổi thể tích VM được thể hiện trên hình 4.32 và hình 4.33.

Hình 4.31. Quy trình thay đổi thể tích VM trong quá trình chuyển số

Hình 4.32 thể hiện sự biến đổi của các thông số động lực học trong quá

trình chuyển số tương ứng với 3 khoảng thời gian tăng thể tích động cơ (VM) của

bộ biến tốc và khi giá trị lực kéo FK = 4905 N. Hình 4.33 là thể hiện sự biến đổi

của các thông số cũng trong quá trình chuyển số tương tự, nhưng với giá trị lực

kéo FK = 6867 N. Trên các hình vẽ, các đường nét liền, nét đứt và nét liền chấm

tròn tương ứng với thể tích VM giảm từ giá trị VMmax về đến 0 trong các khoảng

giảm thể tích tương ứng với 10 giây, 30 giây và 50 giây. Kết quả cho thấy quy

luật thay đổi của thông số động lực học (mô men (Me) và số vòng quay của động

cơ (ne), số vòng quay trục ra của hộp số (nM) và vận tốc bánh xe máy kéo (vB),...)

phù hợp với lý thuyết:

- Khi thời gian thay đổi thể tích càng lớn (thay đổi chậm) thì quá trình biến

đổi các thông số động lực học (mô men và số vòng quay động cơ, số vòng quay

trục ra hộp số, vận tốc máy kéo,...) giữa 2 trạng thái cân bằng càng chậm. Khi thể

tích VM tăng, nghĩa là giảm tỷ số truyền iG của HSPNCS, do đó mô men cần thiết

của động cơ giảm, số vòng quay cần thiết tăng.

Hình 4.32. Diễn biến các thông số động lực học trong quá trình chuyển số (Fk = 4905 N)

- So sánh các kết quả tương ứng của các thông số động lực học trong 2 trường hợp lực kéo (các đồ thị tương ứng trong hình 4.32 và hình 4.33), khi lực kéo FK tăng, mô men của động cơ cần thiết để thắng các lực cản chuyển động cũng tăng lên,

số vòng quay động cơ tương ứng giảm. Khi FK = 4905 N, hệ số truyền lực dọc trong

trường hợp này x = 0.479, khi FK = 6867 N, hệ số truyền lực dọc tăng lên x =

0.648. Điều này lý giải cho việc vận tốc dọc của máy kéo vB và hiệu suất truyền lực đều tăng lên một chút. Ngoài ra, kết quả về hiệu suất truyền lực trong cả 2 trường hợp của FK cũng khẳng định ảnh hưởng của tỷ số truyền của hộp số đến hiệu suất

của hệ thống. Đây chính là cơ sở quan trọng cho chiến lược điều khiển tỷ số truyền theo tải trọng sẽ được trình bày trong phần 4.2.3.4.

Hình 4.33. Diễn biến các thông số động lực học trong quá trình chuyển số (Fk = 6867 N)

4.2.3.3. Thay đổi lực kéo Fk

Sự thay đổi lực kéo FK ở móc của máy kéo sẽ làm dịch chuyển điểm làm việc

ổn định đến vị trí mới trên đặc tính động cơ. Khảo sát phản ứng của hệ thống động

lực học máy kéo sẽ đánh giá được tỷ lệ thay đổi lực kéo với thay đổi mô men động

cơ cũng như thay đổi vận tốc máy kéo với thay đổi số vòng quay động cơ. Trong

nghiên cứu này, quá trình chuyển số được thực hiện trong 3 giai đoạn:

* Giai đoạn 1: máy kéo đang chuyển động ở một trạng thái lực kéo ban đầu

FK1 = 4905 N. Lựa chọn tỷ số truyền hộp số (chọn VM và tương ứng iH) sao cho

chế độ động cơ hoạt động cân bằng ở điểm làm việc (Me1, e1) = (MeN, eN), chế

độ tải trọng danh nghĩa. Các thông số động lực học (chuyển động, vận tốc, lực,

mô men) đang ở trạng thái cân bằng.

* Giai đoạn 2: thay đổi lực kéo, FK từ FK1 đến FK2. Trong nghiên cứu này,

FK2 = 6867 N.

* Giai đoạn 3: giữ FK = FK2. Các thông số động lực học (chuyển động, vận

tốc, lực, mô men) đạt đến một trạng thái cân bằng mới. Động cơ hoạt động cân

7000

6500

6000

5500

= 10s

= 30s

5000

= 50s

4500

100

t(s)

bằng ở điểm làm việc mới (Me2, e2).

Hình 4.34. Quy trình thay đổi lực kéo FK trong quá trình chuyển số

Quá trình nghiên cứu này cũng thực hiện khảo sát ảnh hưởng của tốc độ

chuyển số, thông qua thời gian thay đổi lực kéo FK từ FK1 đến FK2 (hình 4.34).

Ngoài ra, khảo sát quá trình chuyển số được thực hiện với 2 giá trị của thể tích làm việc của động cơ trong biến tốc thủy lực VM = 37 cm3/vòng và VM = 4 cm3/vòng. Diễn biến của các các thông số động lực học trong quá trình chuyển số

tương ứng với 3 chế độ thời gian thay đổi lực kéo FK được thể hiện trên hình 4.35

và hình 4.36.

Hình 4.35. Diễn biến các thông số động lực học chuyển động của máy kéo khi thay đổi lực kéo (VM = VMmax = 37 cm3/vòng)

Hình 4.35 thể hiện sự biến đổi của các thông số động lực học trong quá

trình chuyển số tương ứng với 3 khoảng thời gian tăng lực kéo FK của máy kéo và khi thể tích làm việc của động cơ của bộ biến tốc VM = VMmax = 37 cm3/vòng.

Hình 4.36 là thể hiện sự biến đổi của các thông số cũng trong quá trình chuyển số tương tự, nhưng với giá trị thể tích làm việc giảm VM = 4 cm3/vòng. Trên các

hình vẽ, các đường nét liền, nét đứt và nét liền chấm tròn tương ứng với lực kéo

FK từ giá trị FK1 = 4905 N đến FK2 = 6867 N trong các khoảng tăng lực kéo tương

ứng với 10 giây, 30 giây và 50 giây.

Hình 4.36. Diễn biến các thông số động lực học chuyển động của máy kéo khi thay đổi lực kéo (VM = 4 cm3/vòng)

Kết quả cho thấy quy luật thay đổi của các thông số động lực học là phụ

hợp với lý thuyết:

- Khi thời gian thay đổi thể tích càng lớn (thay đổi chậm) thì quá trình biến

đổi các thông số động lực học (mô men và số vòng quay động cơ, số vòng quay

trục ra hộp số, vận tốc máy kéo,...) giữa 2 trạng thái cân bằng càng chậm. Khi lực

kéo FK tăng, nghĩa là lực cản tăng, do đó mô men cần thiết của động cơ tăng, số

vòng quay của động cơ giảm.

- So sánh các kết quả tương ứng của các thông số động lực học trong 2 trường

hợp thể tích động cơ VM (các đồ thị tương ứng trong hình 4.35 và hình 4.36), khi thể

tích VM giảm (tỷ số truyền của hộp số tăng, tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

giảm), mô men của động cơ cần thiết để thắng các lực cản chuyển động cũng tăng

lên, số vòng quay động cơ tương ứng giảm. Khi VM = 37 ml/vòng, tỷ số truyền của

hộp số trong trường hợp này iG = 0.475, khi VM = 4 ml/vòng, tỷ số truyền của hộp số

tăng lên iG = 0.919. Điều này lý giải cho việc vận tốc dọc của máy kéo vB và hiệu

suất truyền lực đều tăng lên một chút, kết quả này thể hiện ở các đồ thị hiệu suất

TC. Ngoài ra, kết quả trên hình 4.35 và 4.36 trong cả 2 trường hợp của VM cũng

khẳng định ảnh hưởng của tải trọng (lực kéo FK) đến hệ số truyền lực dọc x và hiệu

suất truyền lực của hệ thống. Đây cũng là cơ sở quan trọng cho chiến lược điều

khiển tỷ số truyền theo tải trọng sẽ được trình bày trong phần 4.2.3.4.

4.2.3.4. Thay đổi lực kéo và điều khiển tỷ số truyền tương ứng

Đa số các giá trị thông số kỹ thuật trong bảng 4.9 được chọn theo máy kéo

YANMA 3000. Tuy nhiên, để có hiệu suất HSPNCS cao nhất (TGmax khi iG  1)

với tỷ số truyền iT đã chọn, cần có giá trị trọng lượng bám đủ lớn (GB = 12753 N,

tương ứng 1300*g) để máy kéo phát huy hết công suất tương ứng điều kiện đồng

ruộng và lực kéo đã cho.

Việc điều khiển tỷ số truyền theo sự thay đổi lực kéo FK có mục đích để kéo

điểm làm việc mới nhất trở về gần với điểm làm việc ban đầu trên đặc tính động

cơ (điểm làm việc tối ưu). Trong chiến lược điều khiển tối ưu theo công suất lớn

nhất (mục 4.2.1.3d), chế độ làm việc tối ưu được lựa chọn là chế độ danh nghĩa,

điểm làm việc tối ưu là (MeN, eN). Tỷ số truyền của hộp số tương ứng với chế độ

tối ưu được xác định là:



 1

i G

M  x

 i eN TC T 0 G r B B

(4.48)

Quá trình khảo sát và xác định tỷ số truyền HSPNCS cần điều khiển được

thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: Lựa chọn điểm làm việc tối ưu của động cơ, trong nghiên cứu

này, điểm làm việc tối ưu là (MeN, eN).

- Bước 2: Xác định các điểm làm việc của động cơ tương ứng với giá trị

của lực kéo FK và tỷ số truyền của HSPNCS.

Khoảng khảo sát lực kéo: Trong nghiên cứu này, giá trị lực kéo thay đổi

trong khoảng [FKmin, FKmax] = [3924, 7848] N, bước nhảy FK = 9.81 N. Đây là

khoảng giá trị tương đối gần với tải trọng thực tế khi làm việc thực tế của máy kéo (400*g đến 800*g).

Tại mỗi giá trị FKi, thay đổi tỷ số truyền iHj bằng cách thay đổi thể tích động cơ thủy lực VMj. Với mỗi bộ giá trị (FKi, VMj) xác định được điểm làm việc tương

ứng của động cơ (Meij, eij). Tổng hợp các kết quả được các ma trận mô men và

số vòng quay của động cơ tương ứng với dải lực kéo và tỷ số truyền HSPNCS.

- Bước 3: Xác định tỷ số truyền tối ưu iHi,opt (iGi,opt) và thể tích làm việc

VMi,opt cần điều khiển của động cơ thủy lực trong bộ biến tốc.

Với mỗi giá trị FKi, đối chiếu với các ma trận mô men và số vòng quay của động cơ, tìm được giá trị tỷ số truyền iHi,opt và VMi,opt phù hợp cho kết quả (Mei,opt,

ei,opt)  (MeN, eN). Tập hợp các điểm iHi,opt chính là tỷ số truyền tối ưu và VMi,opt

)

m N

( e M

chính là thể tích làm việc tối ưu của động cơ thủy lực trong bộ biến tốc, tương ứng với tải trọng là lực kéo của máy kéo.

Hình 4.37. Điểm làm việc của mô men động cơ (Me), số vòng quay động cơ

(ne) và hiệu suất hệ thống truyền lực (TC) theo lực kéo FK và thể tích VM

Hình 4.37 thể hiện giá trị điểm làm việc của động cơ (Mô men Me và số

vòng quay ne) và hiệu suất của hệ thống truyền lực TC trên máy kéo sử dụng

HSPNCS phụ thuộc vào lực kéo FK và thể tích làm việc VM. Hình 4.38 thể hiện giá trị điểm làm việc của động cơ (Mô men Me và số vòng quay ne) và hiệu suất

của hệ thống truyền lực TC trên máy kéo sử dụng HSPNCS phụ thuộc vào lực

kéo FK và tỷ số truyền thủy lực iH. Hình 4.39 thể hiện điểm làm việc của động cơ

(Mô men Me và số vòng quay ne) và hiệu suất của hệ thống truyền lực TC trên

máy kéo sử dụng HSPNCS phụ thuộc vào lực kéo FK và tỷ số truyền của hộp số iG. Kết quả trên các hình 4.37 đến hình 4.39 là kết quả thực hiện bước thứ 2 trong chiến lược xác định tỷ số truyền cần điều khiển. Trên các đồ thị biểu diễn điểm làm việc (gồm mô men Me và số vòng quay ne) có các mặt phẳng (màu đỏ) thể hiện tập hợp các điểm làm việc ở chế độ danh nghĩa (MeN và neN). Giao điểm của mặt cong Me(FKi, VMj) với mặt phẳng MeN và ne(FKi, VMj) với mặt phẳng MeN sẽ là tập hợp các điểm làm việc tối ưu cần tìm.

)

m N

) h p / v (

( e M

Hình 4.38. Điểm làm việc của mô men động cơ (Me) và số vòng quay động cơ (ne) theo lực kéo FK và tỷ số truyền bộ biến tốc thủy lực (iH)

Hình 4.39. Điểm làm việc của mô men động cơ (Me) và số vòng quay động cơ (ne) theo lực kéo FK và tỷ số truyền hộp số (iG)

Kết quả khảo sát các điểm làm việc của động cơ khi thay đổi thể tích làm việc (VM) của bộ biến tốc (tương ứng thay đổi tỷ số truyền của HSPNCS) cho thấy, không phải lúc nào cũng có thể tìm được điểm làm việc tối ưu (chế độ danh nghĩa). Các kết quả trên hình 4.37 đến hình 4.39 cho thấy, chiến lược điều khiển thể tích làm việc VM sẽ chỉ hiệu quả khi lực kéo từ FK ≥ 6180 N. Khi FK ≥ 6180 N, khoảng điều khiển VM là 0 đến 4.8 cm3/vòng để có được điểm làm việc ở chế độ danh nghĩa của động cơ đốt trong. Khi FK< 6180 N, điểm làm việc của động cơ đốt trong sẽ được tự động điều chỉnh nhờ bộ điều tốc.

Hình 4.40. Thể tích làm việc cần điều khiển của động cơ của bộ biến tốc thay đổi theo lực kéo

Hình 4.40 thể hiện giá trị thể tích làm việc (VM) được xác định bằng thuật toán điều khiển tỷ số truyền để giữ được điểm làm việc danh nghĩa của động cơ (MeN,

eN) khi lực kéo thay đổi. Hình 4.41 thể hiện giá trị tỷ số truyền của bộ biến tốc thủy lực (iH) và tỷ số truyền hộp số (iG) tương ứng với VM tìm được. Hình 4.42 thể hiện kết quả điểm làm việc (mô men và số vòng quay) của động cơ, hình 4.43 thể hiện mô men kéo và vận tốc của bánh xe máy kéo tương ứng với giá trị VM,opt.

100

Hình 4.41. Tỷ số truyền cần điều khiển của bộ biến tốc thủy lực (iH) và tỷ số truyền cần điều khiển của hộp số phân nhánh công suất (iG) thay đổi theo lực kéo

Hình 4.42. Điểm làm việc (mô men và số vòng quay) của động cơ thay đổi theo lực kéo (VM = VM,opt)

Hình 4.43. Mô men và vận tốc tại bánh xe thay đổi theo lực kéo (VM = VM,opt)

Các kết quả trên hình 4.41 đến hình 4.43 cũng thể hiện kết luận trên về chiến lược điều khiển VM để có được điểm làm việc có công suất tối ưu (điểm danh nghĩa). Khi FK< 6180 N, VM,opt = 0 nghĩa là không tìm được thể tích của động cơ bộ biến tốc sao cho động cơ đốt trong làm việc ở điểm danh nghĩa. Ở các trường hợp này, điểm làm việc của động cơ đốt trong được tự động điều chỉnh nhờ bộ điều tốc, số vòng quay động cơ sẽ thay đổi trong khoảng từ neN = 2650 v/ph đến nemax = 2800 v/ph.

4.2.4. Dự kiến hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền để nâng cao hiệu suất sử dụng công suất động cơ 4.2.4.1. Điều khiển hộp số phân nhánh công suất

101

Khi làm việc trên đồng, công việc nặng nề nhất của máy kéo là cày đất. Khi thiết kế máy kéo người ta thường ưu tiên tính toán, thiết kế hoặc tối ưu hóa thiết kế phục vụ công việc làm đất. Tại chế độ cày hoặc làm đất, số vòng quay động cơ được điều khiển theo đường đặc tính toàn tải. Tỷ số truyền hộp số cần được điều khiển sao cho điểm làm việc nằm tại một điểm gần với điểm làm việc danh nghĩa, trước khi đạt đến số vòng quay quá tải. Lý tưởng nhất là điểm làm việc của động

cơ nằm tại số vòng quay danh nghĩa. Điều khiển tỷ số truyền HSPNCS là điều khiển thể tích VP, VM theo một chiến lược phù hợp. Đối với máy kéo nghiên cứu, NCS đề xuất một hệ thống điều khiển điện tử có sự phối hợp với người lái. Trong hệ thống này, người lái chỉ điều khiển cần số để lựa chọn chiều chuyển động, vùng vận tốc chuyển động và vị trí bàn đạp ga. Hệ thống điều khiển điện tử có thể tự động điều khiển nhiệm vụ truyền lực phù hợp với động cơ (hình 4.44).

Trong hệ thống, các tín hiệu truyền đến ECU là:

- Tín hiệu bàn đạp ga;

- Tín hiệu chiều chuyển động (tiến hoặc lùi);

- Vùng vận tốc chuyển động từ cần số;

- Tín hiệu số vòng quay từ trục sơ cấp và thứ cấp HSPNCS;

- Tín hiệu phân tầng từ hộp số phân tầng;

- Tín hiệu vị trí VP và VM;

Các tín hiệu điều khiển từ ECU là:

- Tín hiệu điều khiển động cơ;

- Tín hiệu điều khiển hệ thống thủy lực, các tín hiệu này điều khiển vị trí xy

lanh điều khiển VP và VM.

6- Truyền lực cuối; 7- bánh xe chủ động; 8- Bộ phận điều khiển thủy lực; 9- ECU; 10- Cần chuyển số; 11- Bàn đạp ga

1- Động cơ máy kéo; 2- Bộ truyền hành tinh; 3- Biến tốc thủy lực; 4- Hộp số phân tầng; 5- Vi sai;

102

Hình 4.44. Sơ đồ, hệ thống điều khiển điện tử để điều khiển chuyển động của máy kéo sử dụng hộp số phân nhánh công suất

4.2.4.2. Hệ thống thủy lực và điều khiển bộ biến tốc

Hệ thống điều khiển thủy lực có nhiệm vụ điều khiển thể tích VP và VM, phù hợp với các yêu cầu cần tỷ số truyền của HSPNCS. Nhờ cần điều khiển, VP được điều khiển tăng từ VP = 0 đến VP = VPmax, để thực hiện công việc khởi hành, dời chỗ và tạo chuyển động tiến của máy kéo. Vùng vận tốc làm việc của máy kéo được xác định bởi vùng tỷ số truyền của HSPNCS khi điều khiển VM từ giá trị VMmax  0. Dự kiến việc điều khiển VM được thực hiện tự động trong vùng tỷ số truyền tương ứng với vùng vận tốc làm việc của máy kéo.

103

Với chiến lược điều khiển như vậy VP sẽ được điều khiển theo mạch hở, còn VM được điều khiển theo mạch kín. Khi đó, ECU nhận các tín hiệu điều khiển chuyển động của máy kéo, các tín hiệu từ cảm biến áp suất, cảm biến vị trí của bộ biến tốc thủy lực, tính toán xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển VP đến giá trị mong muốn và tín hiệu điều khiển bề rộng xung (PWM) để tự động điều khiển VM tương ứng với tỷ số truyền tối ưu của HSPNCS, giữ điểm làm việc mong muốn trên đặc tính động cơ khi có biến động vận tốc và tải trọng của máy kéo.

TÓM TẮT PHẦN 4

Các kết quả nghiên cứu phần 4.1 về lựa chọn cấu hình HSPNCS kiểu CRO,

tính toán mô phỏng và thí nghiệm trong một số trường hợp điển hình cho thấy khả năng phát triển mô hình HSPNCS theo cấu hình CRO cho máy kéo nông nghiệp. Các phần tử bơm/ động cơ của bộ biến tốc thủy lực có thể thay đổi được thể tích làm việc từ 0 đến giá trị cực đại, cho phép điều khiển tỷ số truyền iG của HSPNCS trong dải từ iGmin = 0 đến iG = iGmax 1. Bệ thử thí nghiệm được thiết kế, chế tạo trên cơ sở

các thiết bị hiện có, phù hợp với điều kiện nghiên cứu, cho phép đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng và cho phép đánh giá hiệu suất của HSPNCS.

Các kết quả nghiên cứu khảo sát trong phần 4.2 về tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo nông nghiệp sử dụng HSPNCS cho thấy: Ưu điểm lớn nhất của HSPNCS là có thể điều khiển vô cấp để xác lập các chế độ làm việc tối ưu cho máy kéo nông nghiệp. Khi thực hiện các công việc có tải trọng kéo lớn nhất, động cơ máy kéo hoạt động tại chế độ toàn tải theo đặc tính ngoài. Chế độ

104

làm việc tối ưu trong trường hợp này là chế độ danh nghĩa. Các kết quả xác định vùng lực kéo, vùng thay đổi số vòng quay động cơ và vùng tỷ số truyền để có hiệu suất hộp số lớn nhất và tương ứng với khoảng thay đổi thể tích VM của bộ biến tốc thủy lực có thể sử dụng làm cơ sở khoa học để xây dựng hệ thống điều khiển tự động HSPNCS trên máy kéo nông nghiệp.

PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1. KẾT LUẬN

Với tiêu đã đặt ra, luận án đã đạt được một số kết quả sau:

1) Trên cơ sở phân tích động học 12 phương án kết nối giữa bộ truyền hành

tinh đơn với bộ biến tốc thủy lực, đã lựa chọn cấu hình và xác định các thông số

kết cấu của bộ hành tinh và biến tốc thủy lực phù hợp với HSPNCS sử dụng cho

máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực. Cấu hình nhập dòng tại trục

đầu ra (CRO) có tỷ lệ phân nhánh công suất cơ khí tăng tuyến tính với vận tốc

chuyển động của máy kéo. Các đơn nguyên bơm/ động cơ của bộ biến tốc thủy lực

có thể thay đổi được thể tích từ VP,M = 0 đến VP,M = VP,Mmax, thuận lợi cho việc

điều khiển tỷ số truyền HSPNCS từ iG = 0 đến iG = iGmax 1. Hộp số phân cấp cơ

khí với hai số truyền được bố trí kế tiếp HSPNCS để phân tầng phù hợp với trạng

thái làm việc của máy kéo khi canh tác trên đồng hoặc vận chuyển trên đường.

2) Thiết kế, chế tạo và lắp đặt một mô hình thí nghiệm HSPNCS với hệ

thống đo và xử lý số liệu hiện đại. Hộp số thí nghiệm được thiết kế chế tạo theo

cấu hình CRO và các thông số kết cấu đã chọn. Mô hình thí nghiệm có khả năng

tái hiện, đánh giá các tính chất hoạt động và điều khiển của hộp số máy kéo cũng

như thuận tiện cho việc phân tích hiệu suất của HSPNCS tương ứng với các chế

độ số vòng quay và tải trọng điển hình.

3) Việc phân tích đánh giá hiệu suất của một cấu hình HSPNCS cụ thể (bộ

truyền hành tinh đơn 3 trục có tỷ số truyền cơ sở i0 = 2,1, kết hợp bộ biến tốc

thủy lực với các đơn nguyên bơm (P) và động cơ (M) điều khiển được thể tích đến thể tích cực đại VPmax = 33 cm3/vòng và VMmax= 37 cm3/vòng) được thực hiện trên bệ thử cho thấy hiệu suất của HSPNCS đạt giá trị cao trong khoảng tỷ

số truyền từ 0,5 đến 1,1. Cụ thể đạt 0,87 đến 0,89 tại chế độ 75% tải, đặc biệt đạt

0,91 đến 0,94 tại chế độ tải nặng tương ứng với điểm làm việc trên đặc tính ngoài

của động cơ truyền lực. Nếu chỉ điều khiển VM để thay đổi tỷ số truyền iG khi giữ

VP = VPmax, thì tại tất cả các chế độ làm việc với tải trọng lớn hơn 75% giá trị

định mức, hiệu suất HSPNCS đều đạt từ 0,87 đến 0,94, gần tương đương với hộp

số cơ khí sang số dưới tải trọng. Kết quả này bộc lộ ưu điểm là chỉ cần điều khiển

thể tích VM là có thể thay đổi tỷ số truyền iG phù hợp với các chiến lược điều

105

khiển tối ưu của máy kéo nông nghiệp sử dụng HSPNCS.

4) Chất lượng quá trình chuyển số, phản ứng của hệ thống truyền lực khi có

biến động tải trọng và số vòng quay động cơ, đặc biệt là quá trình khởi hành của

máy kéo không trang bị ly hợp chính được đánh giá là phù hợp với máy kéo nông

nghiệp. Khi chuyển số, thay đổi tải trọng hoặc thay đổi mức ga của động cơ

truyền lực, các thông số đánh giá như Me, ne, nM... thay đổi tương ứng với độ trễ

không đáng kể, quá trình chuyển tiếp không xuất hiện va đập, giá trị bình ổn

được thiết lập ở trạng thái cân bằng mới với sai số rất nhỏ. RMS của sai số tương

đối khi so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm đối với các thông số nghiên

cứu có giá trị trong khoảng 1,16% đến 3,8%.

5) Luận án đã xác định được quy luật và phương án điều khiển tỷ số truyền

HSPNCS tương ứng với chiến lược điều khiển tối ưu theo công suất cực đại khi máy

kéo làm việc với tải trọng kéo lớn và không ổn định. Chế độ làm việc đã chọn được

giữ không đổi thỏa mãn điều kiện đạt hiệu suất cao nhất tại các phần tử truyền lực

chính của máy kéo bao gồm động cơ, hệ thống truyền lực và bánh xe chủ động.

Từ các kết quả nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống tự động điều khiển tỷ số

truyền để nâng cao hiệu suất động cơ và các phần tử truyền lực. Tỷ số truyền

HSPNCS được điều khiển nhờ thay đổi nối tiếp thể tích bơm VP và thể tích động

cơ VM. Trong chiến lược điều khiển chế độ làm việc tối ưu theo công suất cực đại

của động cơ, thể tích VP được điều khiển bằng tay đến giá trị cực đại, ECU sẽ

tính toán xác định điểm làm việc tối ưu, thay đổi VM để điều khiển iG tương ứng

với sự thay đổi của lực kéo FK.

5.2. KIẾN NGHỊ

1) Tiếp tục nghiên cứu trong phòng thí nghiệm để đánh giá một cách đầy đủ

hơn hiệu suất của các phần tử trong hệ thống (động cơ, bộ biến tốc, bơm gây tải),

đánh giá hiệu suất khi chuyển động lùi của HSPNCS, và khắc phục các thiếu sót,

bất ổn của bộ biến tốc thủy lực khi có ảnh hưởng xấu từ điều kiện làm việc.

2) Hoàn thiện thiết kế, chế tạo mẫu HSPNCS sử dụng cho máy kéo nông

nghiệp 30 đến 50 mã lực.

3) Hoàn thiện và thử nghiệm mẫu máy kéo sử dụng HSPNCS hoán cải từ

106

một máy kéo thông dụng trong sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

Bùi Hải Triều, Trịnh Minh Hoàng, Phạm Duy Súy & Chu Văn Huỳnh (2018).

Truyền động phân nhánh công suất thủy tĩnh cho máy kéo nông nghiệp. Tạp chí

Cơ khí Việt Nam. 5: 101-105.

Phạm Duy Súy, Trịnh Minh Hoàng & Bùi Hải Triều (2018). Hiệu suất truyền

động của hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh. Tạp chí Cơ khí Việt Nam.

6: 36-43.

Phạm Duy Súy, Trịnh Minh Hoàng & Bùi Hải Triều (2019). Mô phỏng hoạt động

của hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh. Tạp chí Cơ khí Việt Nam. 12: 20-23.

Phạm Duy Súy, Hàn Trung Dũng, Trịnh Minh Hoàng & Bùi Hải Triều (2020).

Mô hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp.

Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam. 18(5): 360-366.

107

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

1. Bộ Công thương (2008). Quyết định 02/2008/QĐ-BCT của Bộ Công thương về

việc phê duyệt Quy hoạch phát triển công nghiệp sản xuất máy động lực và máy

nông nghiệp giai đoạn 2006-2015, có xét đến năm 2020.

2. Bùi Hải Triều & Nguyễn Đình Tùng (2015). Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kỹ

thuật cơ khí. NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

3. Bùi Hải Triều, Nguyễn Ngọc Quế, Đỗ Hữu Quyết & Nguyễn Văn Hựu (2006).

Truyền động thủy lực và khí nén. NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

4. Hàn Trung Dũng (2014). Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết

cấu đến tính chất chuyển động vòng của máy kéo bánh dùng trong nông nghiệp.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật. Trường ĐHNN Hà Nội.

5. Nguyễn Công Thuật (2014). Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển của hệ

thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh. Luận án tiến sĩ kỹ

thuật. Trường Đại học Nông nghiệp, Hà Nội.

6. Thủ tướng Chính phủ (2014). Quyết định 1342/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ

về việc phê duyệt kế hoạch hành động phát triển ngành công nghiệp máy nông

nghiệp thực hiện chiến lược công nghiệp hóa của Việt Nam trong khuôn khổ hợp

tác Việt Nam - Nhật Bản hướng đến năm 2020, tầm nhìn 2030.

7. Trịch Chất & Lê Văn Uyển (2001). Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí.

NXB Giáo dục, Hà Nội.

Tiếng Anh:

8. Alarico M., Antonio R. (2011). Optimization of hydro-mechanical power split

transmissions. Mechanism and Machine Theory Journal. 46 (2011): 1090-1919.

9. Blake C., Ivantysynova M. & Williams K. (2006). Comparison of operational

characteristics in power split continuously variable transmissions, SAE 2006

CommercialVehicle Engineering Congress & Exhibition, SAE Technical Paper

Series 2006-01-3468.

10. Casoli P., Vacca A., Berta G.L. & Meletti S. (2007). A numerical model for the

simulation of diesel/CVT power split transmission. ICE2007 8th International

Conference onEngines for Automobile; Capri, Naples, September 16–20.

11. Chengyan S. (2010). Hydrostatic-mechanical power split CVT. Thesis, tampere

university of technology.

108

12. Hanzheng D., Lirong W., Qingliang Z., Zhenguo L., Zhiyuan S. and Wenting L.

(2021). Method and Test Bench for Hydro-Mechanical Continuously Variable

Transmission Based on Multi-Level Test and Verification. Journal of Machines

2021(9), 358: 1-11.

13. Heera L. & Hyunsoo K. (2003). CVT Ratio Control for Improvement of Fuel

Economy by Considering Powertrain Response Lag.KSME International Journal.

17(11): 1725-1731.

14. Heinz A.

(2010). Hydrostatic- mechanical power split

transmission

for

locomotives. Proceeding of International Conference on Gears, Munich October 4th

to 6th: 1-10.

15. Huhtala K. (1996). Modeling of the hydrostatic transmission –steady state, linear

and non-linear models. Doctoral dissertation. Acta Polytechnica Scandinavia

mechanical engineering series.123, Helsinki.

16. Jin Y., Zhu C., Min C., Rongzhao P. (2018). Hydro-mechanical power split

transmissions: Progress evolution and future trends. Journal of Institution of

Mechanical Engineers.

17. Kirejczyk J. (1984). Continuously Variable Hydromechanical Transmission for

Commercial Vehicle By Simulation Studies. SAE paper 845095, Society of

AutomotiveEngineers, Warrendale, PA.

transmissions for wheeled

18. Kress J.H. (1968). Hydrostatic power splitting

vehicles—classification and theory of operation.SAE paper 680549, Society of

Automotive Engineers, Warrendale, PA.

19. Li B., Sun D., Hu M., Zhou X., Liu J. & Wang D. (2019). Coordinated control of

gear shifting process with multipleclutches for power-shift transmission.Mech.

Mach. Theory. 140: 274–291.

20. Linares P., Méndez V. & Catalán H. (2010). Design parameters for continuously

variable power-split transmissions using planetarywith 3 active shafts. Journal of

Terramechanics. 47(5): 323-335.

22. Orshansky E. & Weseloh W.E. (1972). Characteristics of Multiple Range

Hydromechanical Transmissions. SAE Paper 720724, Society of Automotive

Engineers, Warrendale, PA.

23. Puetz C. (2003). The John deere Autopowr Transmission VDI/MEG Tagung

Hanover 11.2003.

109

24. Raikwar S., Tewari V.K., Mukhopadhyay S., Verma C.R.B. & Rao M.S. (2015).

Simulation of components of apower shuttle transmission system for an agricultural

tractor.Comput. Electron. Agric. 114: 114–124.

25. Ramdan M. I. (2013). Optimal Disign of a Hydro-Mechanical Transmission

Powersplit Hybrid Hydraulic Bus Ph. D Thesis Uni of Minesota.

26. Renius K. T. (1999). Tractors - Two Axle Tractors. In: CIGR Handbook of

Agricultural Engineering. Vol. III, Plant Production Engineering (edited by B.A.

Stout and B. Cheze): 115-184.

27. Renius K.T. & Resch R. (2005). Continuously variable tractor transmissions. In Proceedings of the AgriculturalEquipment Technology Conference, Louisville, KY,

USA, 14–16 February 2005; ASAE: Joseph, MI, USA: 1–37.

28. Renius K.T. & Resch R. (2005). Continuously Variable Tractor Transmissions.

ASAE Distinguished Lecture Series, Tractor Design No. 29.

29. Thoma J. (1964). Hydrostatic power transmission, Morden UK, Trade and

Technical Press.

30. Wang G., Zhu S., Shi L., Wang S., Zhang H. & Nguyen V. (2015). Control and

interaction system for tractorhydro-mechanical CVT.Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 46: 1–7.

31. Xia Y. & Sun D. (2018). Characteristic analysis on a new hydro-mechanical continuously variable transmissionsystem.Mech. Mach. Theory. 126: 457–467.

32. Zbigniew Ż. (2007). Hybrid Gears in Farm Tractors. TEKA Kom. Mot. Energ.

Roln. OL PAN. 7: 321–334.

Tiếng Đức:

33. Frediksen N.

(1992). Zum EntwicklungsStand eines muen Stufenlosen

Fqhrantriebes mit hydrostatisck – mechanischer Leistungsverschweigung VDI. Tagung in Freising weihenstephan 10/1992.

34. Hansel M. (1991). Hydrauliksystem inder Bau – Und Kommunaltechnik Vogel

Verlag, Würzburg.

35. Heribert R. (1990). Verluste und Wirkungsgrade bei Traktorgetrieben. VDI-Verlag.

36. Hӧne G. (2013). MF: Stufenlose Aufstieg in die Oberliga top agrar 33. H.6.

37. Jarchow F. (1964). Leistungsverzweigte Getriebe (Power split transmissions). VDI-

Z. 106 (6): 196–205.

38. Kirste T. (1989). Entwicklung eines 30 kW - forschungstraktors als studie für

lärmarme GesamtKonzepte, Dissertation TU Müchen.

110

39. Lenge R. (2001). Was die stufenlos Getriebe wirklich Leisten top agrar 31 (2001) H.3.

40. Mürrenhoff H. & Wallentowitz H. (1998). Fluidtechnik für mobile Anwendungen,

Institut für kraftfahewesen RWTH Aachen.

41. Pohlenz J. (2002). Stufenloses hydrostatisch – mechanisch Leistungsverschweigtes

Gethiebe 0 + P 46(2002) H.3.

42. Renius T. (2003). Motoren und Getriebe bei Traktoren Jahrbuch Argartechnik

15(2003) ISBN 3-7843-3193-9.

43. Skirde E. & Gigling M. (1996). Hydrostatik für Leistungsverzweigte Getriebe

Sundstrand, Neumünster. VDI/MEG Koloquium Agrartechnik,

Sauer Mobilhydraulik – Braunschweig.

44. Thiel E. (1983). Messung der Verlustleistung von Kraftfahrzeug - Schalt - Und

Achsgetrieben. Dis. Uni. Stuttgart.

45. Viet Duc Bui (2007). Untersuchung des dynamischen Btnèbsverhaltens eines stufenlosen Breitkeilriemengetrieles von Reisfeldtraktoren, Dissertation - Uni.

Rostock.

111

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 1: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY KÉO CÓ LẮP HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG SUẤT THỦY TĨNH

112

Hình PL.1. Sơ đồ tổng thể mô phỏng động lực học của máy kéo sử dụng HSPNCS

Hình PL.2. Sơ đồ mô phỏng đặc tính động cơ diesel

Hình PL.3. Sơ đồ mô phỏng góc quay trục vào e

113

Hình PL.4. Sơ đồ mô phỏng góc quay trục ra M

Hình PL.5. Sơ đồ mô phỏng tính toán góc quay trục bơm P

114

Hình PL.6. Sơ đồ mô phỏng khối thông số điều khiển VP, VM và Fk

Hình PL.7. Sơ đồ mô phỏng tính toán mô men của bơm VP và động cơ MM

115

Hình PL.8. Sơ đồ mô phỏng tính toán chênh lệch áp suất 2 nhánh trong bộ biến tốc thủy lực

Hình PL.9. Sơ đồ mô phỏng tính toán mô men của bơm MP và động cơ MM

116

Hình PL.10. Sơ đồ mô phỏng tính toán lưu lượng của bơm QP và động cơ QM

Hình PL.11. Sơ đồ mô phỏng tính toán vận tốc máy kéo vmk

117

Hình PL.12. Sơ đồ mô phỏng tính toán độ trượt bánh xe

PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG SUẤT THỦY TĨNH

PL2.1. Số liệu thí nghiệm: Thay đổi tỷ số truyền (lần đo 2)

Me (Nm)

nM (v/ph)

nb (v/ph)

Pb (Pa)

t (s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

ne (v/ph) 2716 2719 2717 2716 2721 2722 2719 2716 2716 2720 2712 2713 2717 2711 2716 2720 2713 2717 2719 2712 2721 2717 2712 2715 2715 2717 2716 2712 2718 2720 2718 2719 2717 2715 2716 2718 2713 2719

57 57 57 57 58 58 57 58 58 57 58 57 58 57 58 57 57 57 59 58 58 58 58 59 57 58 57 58 57 57 57 57 57 58 58 58 57 57

1370 1395 1368 1403 1376 1365 1371 1400 1393 1393 1398 1394 1408 1388 1388 1411 1378 1409 1403 1375 1382 1412 1397 1392 1405 1409 1387 1392 1368 1383 1368 1387 1412 1412 1404 1393 1373 1404

Qb (m3/s) 0.00562 0.00557 0.00555 0.00566 0.00555 0.00562 0.00559 0.00555 0.00567 0.00561 0.00550 0.00554 0.00552 0.00561 0.00553 0.00559 0.00564 0.00569 0.00565 0.00550 0.00569 0.00570 0.00562 0.00569 0.00556 0.00568 0.00548 0.00559 0.00552 0.00555 0.00552 0.00561 0.00563 0.00556 0.00550 0.00549 0.00550 0.00550

704 689 688 698 699 701 695 682 694 680 700 697 695 685 699 699 688 680 702 700 693 698 701 688 704 695 687 686 703 689 683 705 697 706 684 702 692 695

1812847 1845652 1848630 1831544 1809923 1828831 1841307 1821712 1858107 1807419 1816618 1865758 1845541 1852536 1856684 1802103 1828325 1850573 1808591 1843920 1816307 1858768 1858532 1831071 1826897 1867475 1799222 1827160 1833555 1842888 1803649 1808851 1845471 1814266 1807165 1801725 1810489 1835226

118

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83

59 58 58 57 57 57 59 58 58 58 58 59 58 60 60 61 63 64 63 64 66 66 66 65 65 67 65 66 67 67 66 66 66 65 66 67 67 67 67 66 66 67 67 67 65

2718 2717 2721 2720 2721 2721 2712 2722 2713 2717 2721 2717 2715 2718 2708 2710 2710 2705 2710 2703 2708 2700 2707 2700 2705 2704 2699 2702 2707 2709 2710 2701 2706 2706 2704 2700 2706 2704 2709 2706 2709 2707 2706 2707 2708

1397 1377 1397 1395 1404 1391 1364 1364 1391 1376 1399 1361 1445 1531 1593 1616 1681 1739 1774 1819 1809 1834 1832 1872 1826 1847 1890 1866 1852 1845 1858 1832 1881 1820 1830 1866 1846 1869 1885 1853 1831 1835 1822 1867 1863

680 694 696 693 681 693 680 702 695 698 697 696 739 747 784 821 833 864 864 901 926 915 925 910 917 933 941 922 910 942 926 942 921 934 910 928 921 921 944 936 921 932 924 930 944

0.00549 0.00570 0.00565 0.00565 0.00549 0.00551 0.00554 0.00568 0.00570 0.00570 0.00556 0.00555 0.00579 0.00617 0.00639 0.00646 0.00671 0.00678 0.00711 0.00730 0.00746 0.00757 0.00747 0.00744 0.00736 0.00758 0.00737 0.00734 0.00742 0.00762 0.00754 0.00746 0.00759 0.00754 0.00752 0.00747 0.00762 0.00758 0.00735 0.00738 0.00748 0.00751 0.00743 0.00747 0.00746

1860722 1853491 1808298 1803284 1846775 1833157 1834102 1821078 1821795 1863717 1830875 1852230 1811899 1804716 1813457 1838648 1846006 1865873 1801518 1810353 1830001 1821950 1805075 1856645 1827240 1845549 1839216 1798860 1845265 1821337 1817674 1831599 1843247 1856039 1838809 1800412 1855444 1818186 1857547 1847929 1841869 1826338 1803328 1870124 1845959

119

84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128

66 66 67 66 65 67 66 67 67 67 67 66 66 66 65 66 65 66 67 68 70 70 71 72 73 75 76 75 76 75 77 75 75 77 76 76 77 76 75 76 76 77 77 77 77

932 914 940 936 913 915 920 924 928 919 939 938 919 932 913 934 922 950 952 983 990 1008 1019 1060 1085 1111 1115 1101 1119 1101 1110 1130 1111 1133 1109 1123 1118 1097 1110 1133 1095 1109 1103 1102 1108

0.00738 0.00762 0.00745 0.00759 0.00735 0.00747 0.00736 0.00743 0.00762 0.00759 0.00739 0.00750 0.00743 0.00761 0.00737 0.00757 0.00739 0.00768 0.00767 0.00780 0.00794 0.00833 0.00829 0.00853 0.00850 0.00873 0.00913 0.00898 0.00882 0.00899 0.00911 0.00913 0.00893 0.00891 0.00911 0.00898 0.00900 0.00889 0.00888 0.00914 0.00917 0.00896 0.00911 0.00916 0.00914

1815043 1805241 1815888 1863249 1814196 1832965 1863726 1812509 1830707 1842863 1841175 1846305 1817799 1828980 1855858 1865379 1832263 1820564 1830090 1820604 1818324 1808569 1810559 1833997 1804835 1864987 1809266 1810125 1850017 1846951 1824302 1805112 1799227 1825323 1855070 1830657 1805769 1856324 1845845 1831020 1836819 1836339 1843714 1844923 1812369

2703 2701 2708 2700 2702 2704 2700 2704 2708 2701 2701 2707 2707 2701 2705 2710 2702 2704 2704 2702 2701 2696 2702 2693 2690 2694 2688 2693 2688 2694 2685 2689 2691 2695 2686 2689 2686 2690 2695 2685 2691 2687 2693 2686 2685

1880 1867 1851 1851 1880 1883 1862 1830 1878 1855 1882 1828 1835 1850 1863 1855 1826 1856 1919 1951 1956 2019 2040 2089 2145 2209 2219 2256 2255 2196 2261 2215 2234 2218 2207 2246 2269 2199 2240 2214 2193 2248 2184 2199 2203

120

129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173

77 77 76 77 74 76 76 77 76 76 75 76 76 77 76 75 75 76 75 75 76 75 77 77 77 76 76 77 77 76 75 75 75 76 75 74 75 76 75 76 76 76 75 77 75

1133 1114 1128 1108 1112 1134 1098 1095 1123 1133 1097 1121 1099 1123 1120 1094 1127 1136 1111 1107 1094 1102 1118 1119 1103 1121 1095 1134 1096 1107 1121 1114 1116 1109 1126 1105 1121 1133 1107 1128 1127 1098 1099 1110 1122

0.00912 0.00906 0.00888 0.00891 0.00897 0.00883 0.00892 0.00917 0.00893 0.00902 0.00904 0.00914 0.00896 0.00907 0.00889 0.00884 0.00904 0.00906 0.00893 0.00902 0.00893 0.00911 0.00895 0.00907 0.00904 0.00916 0.00889 0.00903 0.00885 0.00901 0.00912 0.00884 0.00894 0.00907 0.00912 0.00900 0.00917 0.00897 0.00892 0.00899 0.00888 0.00888 0.00892 0.00909 0.00904

1856031 1812709 1828080 1815509 1818123 1799257 1865090 1835878 1831862 1836115 1822748 1822431 1869386 1832549 1852103 1846597 1855591 1818147 1818961 1849983 1811854 1858319 1810783 1866879 1850362 1808247 1859707 1865334 1839025 1827187 1830250 1848868 1817253 1800679 1866499 1869950 1854438 1869466 1833539 1807799 1831880 1851797 1846843 1861203 1852918

2687 2687 2691 2688 2689 2689 2691 2687 2693 2695 2689 2689 2689 2688 2685 2685 2685 2689 2685 2694 2691 2695 2689 2687 2693 2690 2694 2692 2687 2689 2687 2688 2685 2694 2693 2691 2687 2685 2695 2694 2691 2687 2689 2687 2693

2215 2224 2238 2200 2220 2203 2185 2203 2197 2230 2195 2243 2254 2229 2270 2199 2249 2213 2202 2212 2215 2252 2230 2190 2251 2254 2248 2204 2243 2219 2256 2265 2245 2252 2192 2190 2270 2220 2269 2235 2226 2198 2217 2250 2193

121

174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200

76 75 76 76 77 77 77 76 76 74 77 75 75 75 77 75 76 75 75 76 76 75 77 77 76 77 77

2688 2688 2695 2687 2684 2694 2691 2693 2687 2693 2684 2695 2695 2686 2686 2689 2687 2689 2689 2693 2690 2695 2694 2691 2688 2685 2688

2205 2223 2193 2240 2243 2218 2265 2239 2256 2201 2209 2213 2192 2200 2224 2271 2264 2227 2188 2198 2190 2187 2240 2244 2203 2254 2188

1121 1122 1093 1098 1126 1129 1125 1134 1133 1102 1115 1127 1115 1119 1117 1124 1095 1114 1102 1107 1116 1125 1110 1115 1098 1102 1105

0.00916 0.00909 0.00902 0.00898 0.00892 0.00909 0.00886 0.00886 0.00908 0.00895 0.00903 0.00893 0.00907 0.00895 0.00907 0.00917 0.00885 0.00899 0.00886 0.00908 0.00914 0.00885 0.00900 0.00902 0.00906 0.00893 0.00903

1842819 1818310 1822717 1858464 1826261 1804389 1860602 1829804 1810956 1798944 1845347 1825102 1825561 1830231 1835585 1820121 1832879 1799084 1810909 1820368 1851931 1840221 1848834 1856241 1859628 1807064 1845689

122

PL2.2. Số liệu thí nghiệm: Thay đổi tải trọng (lần đo 3)

Me (Nm)

nM (v/ph)

nb (v/ph)

Pb (Pa)

t (s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

ne (v/ph) 2698 2697 2706 2697 2700 2706 2704 2701 2697 2697 2705 2697 2697 2702 2698 2706 2703 2697 2699 2697 2700 2707 2698 2697 2700 2699 2699 2703 2700 2705 2699 2707 2704 2707 2706 2698 2700 2704 2697 2707 2702

68 69 67 68 69 67 67 68 68 68 69 69 68 69 67 69 69 69 69 68 69 67 68 69 67 67 68 69 69 68 68 69 68 68 69 69 69 69 68 68 69

1846 1858 1840 1844 1836 1836 1838 1860 1859 1850 1842 1838 1847 1832 1835 1826 1842 1850 1858 1839 1833 1846 1858 1852 1856 1851 1846 1842 1845 1830 1843 1827 1838 1827 1853 1837 1851 1837 1836 1859 1852

Qb (m3/s) 0.00752 0.00744 0.00763 0.00740 0.00752 0.00751 0.00745 0.00738 0.00734 0.00746 0.00739 0.00755 0.00744 0.00758 0.00755 0.00750 0.00739 0.00761 0.00741 0.00760 0.00740 0.00744 0.00736 0.00752 0.00739 0.00735 0.00755 0.00744 0.00753 0.00745 0.00752 0.00734 0.00760 0.00757 0.00755 0.00757 0.00745 0.00751 0.00750 0.00749 0.00741

939 928 942 933 929 938 940 944 908 940 930 944 927 926 937 916 926 941 929 939 935 929 917 932 911 931 932 935 941 944 936 929 942 929 909 912 940 926 939 916 928

688013 687632 698033 683969 686554 700355 675624 700608 679568 692398 690232 692612 684181 691140 696264 675006 676740 700658 691974 680696 685321 677764 681695 681411 683392 678576 683831 677755 698224 677020 699456 685201 675761 683680 694246 695822 689117 692911 698479 675960 682641

123

42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

69 67 69 67 68 68 68 69 68 68 69 70 72 72 72 72 74 75 73 77 75 76 77 79 80 80 80 82 81 84 82 84 83 84 84 85 87 87 89 91 89 90 91 90 92

2703 2699 2699 2705 2702 2702 2700 2699 2699 2703 2698 2697 2701 2701 2696 2690 2695 2692 2695 2688 2692 2689 2686 2682 2681 2684 2688 2686 2684 2677 2682 2675 2680 2672 2677 2678 2676 2671 2672 2672 2666 2668 2667 2662 2668

1853 1837 1831 1849 1833 1837 1861 1840 1848 1827 1860 1843 1843 1841 1829 1845 1827 1838 1853 1848 1827 1835 1846 1839 1829 1843 1822 1840 1814 1837 1819 1839 1835 1841 1823 1818 1823 1826 1818 1817 1815 1816 1804 1830 1811

931 909 930 921 910 926 915 912 915 913 914 908 930 917 926 931 923 924 921 909 922 935 935 913 910 923 925 917 909 935 904 904 905 906 922 920 900 932 924 924 899 928 930 932 927

0.00741 0.00747 0.00740 0.00757 0.00762 0.00734 0.00749 0.00736 0.00757 0.00762 0.00735 0.00760 0.00733 0.00752 0.00755 0.00747 0.00757 0.00757 0.00749 0.00734 0.00737 0.00735 0.00731 0.00732 0.00747 0.00756 0.00739 0.00740 0.00757 0.00755 0.00747 0.00756 0.00749 0.00736 0.00746 0.00733 0.00734 0.00745 0.00741 0.00737 0.00742 0.00746 0.00741 0.00740 0.00740

675729 679736 693822 693864 698054 690124 676386 699260 695975 704904 735022 771018 786195 813180 823344 847451 873419 886226 926129 940288 968594 978609 994712 1030884 1049136 1089845 1112698 1130977 1130121 1147615 1195164 1205864 1259474 1284839 1273409 1322375 1350521 1358041 1396441 1422975 1424411 1457489 1471940 1462896 1510247

124

87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131

93 92 93 95 97 97 95 99 98 100 98 99 101 102 103 101 103 103 101 103 100 100 101 103 101 101 100 101 100 102 102 100 103 103 103 102 100 100 103 102 101 102 101 101 102

2662 2661 2664 2661 2665 2664 2658 2655 2652 2660 2654 2654 2658 2646 2648 2642 2647 2644 2648 2644 2647 2643 2643 2642 2645 2649 2648 2640 2648 2641 2644 2639 2649 2645 2649 2640 2650 2642 2641 2641 2649 2646 2647 2641 2645

1828 1831 1813 1818 1817 1809 1804 1819 1807 1815 1799 1799 1819 1800 1801 1803 1791 1813 1811 1818 1789 1799 1805 1799 1803 1799 1803 1796 1804 1787 1815 1819 1818 1820 1808 1806 1809 1795 1800 1795 1789 1787 1815 1817 1797

924 914 901 909 899 895 927 904 903 904 909 915 892 919 909 919 901 905 891 895 913 901 921 893 924 908 914 925 899 904 905 916 918 892 895 902 891 907 901 895 896 921 913 906 921

0.00738 0.00725 0.00744 0.00751 0.00732 0.00750 0.00732 0.00747 0.00734 0.00733 0.00727 0.00724 0.00729 0.00739 0.00740 0.00738 0.00718 0.00742 0.00744 0.00740 0.00719 0.00729 0.00738 0.00739 0.00724 0.00726 0.00737 0.00732 0.00736 0.00725 0.00723 0.00742 0.00740 0.00745 0.00721 0.00723 0.00721 0.00732 0.00723 0.00744 0.00721 0.00719 0.00734 0.00740 0.00727

1545107 1560556 1574312 1632508 1648994 1673479 1665591 1703019 1744782 1772191 1777247 1768103 1822376 1803795 1827753 1846381 1865480 1856691 1833324 1852811 1828492 1868204 1869363 1860499 1826476 1831191 1816296 1854792 1861837 1864047 1838603 1841508 1809294 1863045 1830879 1813360 1863040 1853228 1861812 1819036 1846831 1846191 1807429 1827796 1818344

125

132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176

102 103 100 103 103 102 103 102 102 100 100 103 101 102 102 101 100 102 100 102 101 101 101 101 101 103 103 100 103 103 101 100 101 103 102 102 100 103 100 101 102 103 102 102 103

2640 2648 2647 2648 2648 2641 2644 2644 2648 2641 2643 2646 2645 2646 2649 2647 2649 2648 2647 2646 2649 2640 2640 2645 2645 2646 2640 2646 2649 2642 2646 2647 2646 2649 2649 2640 2640 2644 2649 2647 2646 2641 2650 2649 2648

1819 1804 1803 1791 1805 1808 1798 1796 1804 1810 1817 1801 1813 1821 1795 1814 1806 1798 1809 1796 1808 1798 1797 1806 1822 1810 1807 1813 1815 1793 1807 1790 1808 1795 1808 1793 1795 1809 1815 1794 1788 1811 1798 1807 1792

892 916 915 909 895 910 900 894 896 921 891 897 891 905 889 921 896 892 900 905 892 924 901 899 891 899 890 907 916 911 892 892 917 921 908 893 918 901 899 916 889 890 913 910 908

0.00723 0.00728 0.00724 0.00733 0.00744 0.00736 0.00721 0.00729 0.00720 0.00732 0.00730 0.00746 0.00741 0.00732 0.00744 0.00722 0.00729 0.00744 0.00744 0.00738 0.00736 0.00728 0.00745 0.00722 0.00739 0.00736 0.00742 0.00729 0.00739 0.00742 0.00727 0.00734 0.00746 0.00734 0.00727 0.00736 0.00728 0.00740 0.00730 0.00732 0.00738 0.00746 0.00727 0.00742 0.00739

1849941 1818923 1862793 1857809 1826558 1834280 1848376 1858367 1842279 1839781 1821977 1831311 1849736 1861949 1850241 1799969 1846942 1830028 1829979 1807015 1856958 1821892 1816264 1823171 1825532 1837763 1838863 1826973 1827138 1835531 1845708 1866710 1850348 1827277 1858188 1808254 1802965 1804668 1810370 1821847 1820237 1799473 1837287 1805464 1809125

126

177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200

101 103 102 101 103 102 101 102 100 100 101 102 101 103 100 100 100 102 101 103 102 102 103 103

2643 2642 2643 2645 2644 2647 2642 2648 2643 2648 2646 2643 2642 2649 2640 2642 2645 2645 2645 2647 2645 2645 2641 2642

1795 1816 1791 1787 1804 1791 1801 1817 1815 1808 1795 1793 1794 1811 1803 1819 1818 1817 1798 1805 1816 1805 1817 1820

915 914 917 899 914 909 903 891 917 901 911 915 893 893 908 906 921 917 915 891 891 892 917 923

0.00745 0.00719 0.00728 0.00737 0.00726 0.00725 0.00738 0.00736 0.00735 0.00737 0.00719 0.00728 0.00731 0.00725 0.00738 0.00742 0.00726 0.00739 0.00722 0.00742 0.00722 0.00735 0.00728 0.00741

1843819 1860153 1868379 1839502 1869999 1838263 1835537 1822309 1829419 1833844 1803722 1862188 1803264 1829862 1857813 1826880 1842554 1857241 1862080 1865293 1812295 1817148 1862913 1841114

127