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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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" trình bày việc 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; 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: 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 i
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 ii
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 iv
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 v
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên gọi Đơn vị b Hệ số ma sát cản nhớt của bánh răng Nm.s kP Hệ số cản nhớt của bơm Nm.s kM Hệ số cản nhớt của động cơ Nm.s JP Mô men quán tính của khối lượng quay quy dẫn về trục bơm kg.m2 JM 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 i0 Tỷ số truyền lực chính - zR Số răng bánh răng bao - zS Số răng bánh răng mặt trời - V1 Thể tích dầu tích lũy trong nhánh cao cáp của bộ biến tốc cm3 thủy lực V2 Thể tích dầu tích lũy trong nhánh thấp cáp của bộ biến tốc cm3 thủy lực VPmax Thể tích riêng cực đại của bơm trong bộ biến tốc thủy lực cm3/vòng VMmax Thể tích riêng cực đại của động cơ trong bộ biến tốc thủy lực cm3/vòng i1 Tỷ số truyền cặp bánh răng dẫn động biến tốc thủy lực - i2 Tỷ số truyền cặp bánh răng nhập dòng biến tốc thủy lực - ip Tỷ số truyền phân tầng - ivs Tỷ số truyền vi sai - ic Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng - g Gia tốc trọng trường m/s2 rB Bán kính bánh xe máy kéo m m Khối lượng máy kéo kg FV Tải trọng thẳng đứng trên bánh xe chủ động N C1 Cảm biến đo số vòng quay - C2 Cảm biến đo mô men - C3 Cảm biến đo số vòng quay - vi
C4 Cảm biến đo số vòng quay - C5 Cảm biến đo áp suất - C6 Cảm biến đo lưu lượng - Card A/D Card chuyển đổi A/D - Me Mô men trụcđộng cơ Nm ne Số vòng quay trục động cơ vòng/phút nM Số vòng quay trục ra hộp số vòng/phút iG Tỷ số truyền của hộp số - iH Tỷ số truyền của bộ biến tốc thủy lực - i1 Tỷ số truyền của cặp bánh răng dẫn động biến tốc - i2 Tỷ số truyền của cặp bánh răng nhập dòng - T Hiệu suất HTTL - L Hiệu suất hệ thống di động HS Hiệu suất HSPNCS - 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 TT Tên bảng Trang 3.1. Các khối chức năng thông dụng được sử dụng trong mô phỏng số ................. 33 3.2. Biểu diễn sơ đồ khối các phần tử thủy lực cơ bản ............................................ 35 4.1. Tổng hợp cấu hình hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục vào ....... 44 4.2. Tổng hợp cấu hình hộp số phân nhánh công suất nhập dòng tại trục ra.......... 45 4.3. Tổng hợp các chế độ phân nhánh công suất theo tỷ số truyền của 6 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 4.5. Tỷ số truyền cực đại và hiệu suất hộp số phân nhánh công suất ..................... 53 4.6. Thiết bị đo ghi và xử lý số liệu thí nghiệm ....................................................... 63 4.7. Sai số giữa kết quả đo thí nghiệm và tính toán lý thuyết .................................. 68 4.8. Thông số kỹ thuật động cơ YM-3T84 .............................................................. 80 4.9. Thông số kỹ thuật sử dụng trong mô phỏng hoạt động máy kéo ..................... 87 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 ix
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 x
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 xi
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. xv
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 1
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 2
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. 3