Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu xác định một số thông số sử dụng và kết cấu hợp lý cho liên hợp máy thu hoạch nghêu

Chia sẻ: Tri Lộ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu đến tính năng kinh tế - kỹ thuật của liên hợp máy, nhằm xác định giá trị hợp lý của các thông số, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu cho việc hoàn thiện thiết kế chế tạo và nâng cao hiệu quả sử dụng LHM thu hoạch nghêu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu xác định một số thông số sử dụng và kết cấu hợp lý cho liên hợp máy thu hoạch nghêu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP MAI VĂN HOẠT NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ SỬ DỤNG VÀ KẾT CẤU HỢP LÝ CHO LIÊN HỢP MÁY THU HOẠCH NGHÊU CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. BÙI VIỆT ĐỨC Hà Nội, 2014
1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Sự cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Nước ta có bờ biển dài, có tiềm năng rất lớn về phát triển nuôi trồng thủy hải sản. Trong số các loài thủy hải sản, nuôi nghêu là một trong những nghề đem lại lợi ích kinh tế lớn. Nghêu hay ngao là tên gọi dùng để chỉ các loại động vật thân mềm hai mảnh vỏ (nhuyễn thể) thuộc họ Veneridae chuyên sống ở vùng nước ven biển có độ mặn cao, nước trong, nhiều đất cát sỏi phân bố chủ yếu ở vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới. Đây là loại hải sản có giá trị kinh tế cao, dễ nuôi, không tôn nhiều công chăm sóc. Nuôi nghêu không tốn thức ăn vì nghêu là động vật ăn lọc, không có khả năng chủ động săn mồi và chọn lọc thức ăn, 90% thức ăn là mùn bã hữu cơ, còn lại là sinh vật phù du chủ yếu là tảo silic, tảo giáp, tảo lam, tảo lục và tảo kim có sẵn trong môi trường sinh sống. Thịt nghêu là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, thơm ngon được nhiều người ưa thích (chiếm 56% protein tính theo trọng lượng khô). Nghêu sinh trưởng rất nhanh, sức sinh sản lớn, sản lượng khai thác hàng năm tương đối cao, phục vụ tiêu thụ nội địa và xuất khẩu, chính vì thế chúng trở thành đối tượng kinh tế của ngư dân vùng ven biển nước ta đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long làm cho nghề nuôi nghêu phát triển tuy vậy cũng cần đặt ra vấn đề khai thác hợp lý để bảo vệ nguồn lợi này. Nuôi nghêu ở Việt Nam hiện nay đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn, làm hồi sinh nhiều vùng đất ven biển trước đây bị bỏ hoang, tạo việc làm và thu nhập ổn định cho một bộ phận cư dân nghèo sinh sống ở ven biển, góp phần xóa đói giảm nghèo và đảm bảo an sinh xã hội. Tiềm năng và định hướng phát triển của nghề nuôi nghêu được thể hiện rõ qua quyết định phê duyệt quy hoạch phát triển nuôi nhuyễn thể hàng hóa tập
2 trung đến năm 2020, của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn; trong đó có Quy hoạch vùng nuôi nghêu, sò đến năm 2015 và năm 2020 cho các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) như: Cà Mau, Bạc Liêu, Tiền Giang, Sóc Trăng, Kiên Giang, Bến Tre và Trà Vinh, với tổng diện tích đến năm 2015 là 28.110 ha và năm 2020 phát triển lên 35.690 ha. Quyết định Quy hoạch nêu rõ: đến năm 2015, diện tích nuôi nghêu 15.950 ha, sản lượng 142.700 tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 114,16 triệu USD; diện tích nuôi sò 12.160 ha, sản lượng 63.320 tấn, kim ngạch xuất khẩu 73,95 triệu USD. Đến năm 2020, diện tích nuôi nghêu 20.590 ha, sản lượng 206.300 tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 198,03 triệu USD; diện tích nuôi sò 15.100 ha, sản lượng 102.688 tấn, kim ngạch xuất khẩu 154,02 triệu USD. Một trong những công việc tốn nhiều sức lao động nhất trong quá trình nuôi nghêu là khâu thu hoạch. Thu hoạch nghêu ở nước ta còn thủ công nên năng suất và chất lượng thấp, theo khảo sát 60 người trong ba giờ thu hoạch được khoảng 0,8 tấn nghêu. Với diện tích và sản lượng lớn, tăng đều hàng năm như vậy, việc cơ giới hóa khâu thu hoạch nghêu, mà cụ thể là thiết kế, chế tạo máy thu hoạch nghêu đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật - công nghệ, thay thế cho công việc thu hoạch thủ công hiện nay là một việc làm cấp thiết, nhằm nâng cao năng suất chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, thỏa mãn tối đa tính thời vụ cũng như các yêu cầu ngày càng cao cho tiêu dùng trong nước và xuất khẩu. Để có thể tạo ra một LHM thu hoạch nghêu hoàn thiện với đầy đủ các tính năng kinh tế - kỹ thuật – công nghệ hoàn chỉnh, đáp ứng tốt các yêu cầu công việc, cần phải thực hiện đầy đủ nhiều công đoạn phức tạp khác nhau liên quan đến đối tượng tác động (con nghêu), điều kiện làm việc (nền đất), nguồn động lực (máy kéo) và bộ phận công tác (máy thu hoạch).
3 Trên cơ sở thực hiện một phần công việc nằm trong đề án thiết kế chế tạo Liên hợp máy thu hoạch nghêu cho các vùng nuôi nghêu ven biển nước ta, trong phạm vi giới hạn và yêu cầu của một luận văn Thạc sỹ kỹ thuật cơ khí, tác giả đề xuất đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số sử dụng và kết cấu hợp lý cho liên hợp máy thu hoạch nghêu”. 2. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu đến tính năng kinh tế - kỹ thuật của liên hợp máy, nhằm xác định giá trị hợp lý của các thông số, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu cho việc hoàn thiện thiết kế chế tạo và nâng cao hiệu quả sử dụng LHM thu hoạch nghêu.
4 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng luận về tình hình chăn nuôi và thu hoạch nghêu ở nước ta 1.1.1. Tổng luận về tình hình chăn nuôi nghêu ở nước ta hiện nay Nước ta có bờ biển dài (khoảng 3.260 km), có tiềm năng rất lớn về phát triển nuôi trồng thủy hải sản. Trong chiến lược phát triển Nuôi trồng thuỷ sản hiện nay, động vật thân mềm được xem là đối tượng ưu thế và đầy triển vọng. Với vai trò quan trọng làm thực phẩm, đa dạng đối tượng nuôi, góp phần vào việc làm sạch môi trường, ổn định sinh thái, là thành viên không thể thiếu trong nghề nuôi bền vững. Trong các loại động vật thân mềm thì nghêu là loài khá dễ nuôi, ít bệnh tật, không tốn thức ăn, thị trường dễ tiêu thụ, lợi nhuận cao. Nghề nuôi nghêu ven biển nước ta đã có những bước phát triển mạnh mẽ về diện tích, sản lượng nuôi cũng như mức độ thâm canh trong những năm qua vì vậy ở nước ta hiện nay, nghêu được nuôi nhiều ở các tỉnh ven biển phía Nam như Tiền Giang (Gò Công Đông) khoảng 2.300 ha, Bến Tre (Bình Đại, Ba Tri, Thạnh Phú) khoảng 4.420 ha, Trà Vinh (Cầu Ngang, Duyên Hải) khoảng 1.500 ha, Sóc Trăng (Vĩnh Châu) khoảng 1.000 ha, Bạc Liêu (Bạc Liêu, Vĩnh Lợi, Ngọc Hiển) Khoảng 222 ha, ven biển Cần Giờ (thành phố Hồ Chí Minh) khoảng 2.000 ha. Bên cạnh đó nghề nuôi nghêu ở một số tỉnh ven biển miền Bắc và Bắc Trung bộ có những bước phát triển mạnh mẽ trong những năm qua, đã mang lại nguồn thu lớn cho nhiều nông hộ, góp phần phát triển kinh tế xã hội ở nhiều địa phương. Kết quả điều tra cho thấy Thái Bình có diện tích và sản lượng nghêu nuôi lớn nhất (khoảng 1.984ha) tiếp theo là Nam Định (khoảng 1.708ha), Thanh Hóa (khoảng 960ha), Quảng Ninh (khoảng 1.271ha) Hà Tĩnh có diện tích nuôi (khoảng 200ha). và một số tỉnh duyên hải Bắc và Trung bộ.
5 Vùng nhiệt đới Tây Thái Bình Dương, từ Đài Loan đến Việt Nam (duyên hải Nam bộ) rất phù hợp cho loài Nghêu Bến Tre (Meretrix lyrata) sinh trưởng và phát triển. Nghêu Bến Tre là loài động vật thân mềm 2 mảnh vỏ (Bivalvia), ở nước ta chúng phân bố tự nhiên ở khu vực vùng triều cửa sông ven biển các tỉnh miền Tây Nam bộ như: Gò Công Đông (Tiền Giang), Cầu Ngang, Duyên Hải (Trà Vinh), Bình Đại, Ba Tri, Thạnh Phú (Bến Tre), Vĩnh Châu (Sóc Trăng); ... Môi trường sống của nghêu là các bãi có chất đáy cát bùn, chịu được độ mặn từ 7-25 ‰. Hình dạng: vỏ hình tam giác, nghêu lớn có chiều dài 40-50mm, chiều cao 40-45mm và chiều rộng 30-35mm. Từ năm 1999 trong việc tìm kiếm đối tượng nuôi phù hợp với điều kiện khí hậu của miền Bắc, nghêu Bến Tre được người dân đưa vào nuôi thử nghiệm ở một số vùng cửa sông ven biển và đã cho kết quả tốt. Hình 1.1. Nghêu Bến Tre.
6 Nghêu Bến Tre là đối tượng đang được người dân quan tâm bởi giá trị dinh dưỡng của nó. Thịt thơm ngon có nhiều chất dinh dưỡng trong đó Prôtêin chiếm 15,66%, Lipit chiếm 3,43%, khoáng chiếm 3-13% và đang là một trong những mặt hàng hải sản có giá trị xuất khẩu cao. Đặc biệt tháng 10/2008 Hội đồng bảo tồn biển quốc tế vừa cấp giấy chứng nhận tiêu chuẩn thương hiệu MSC (Marine Sterwarship Council) cho nghêu Bến Tre trở thành đặc sản biển đầu tiên của cả khu vực Đông Nam Á. Sự công nhận này sẽ giúp con nghêu Bến Tre có nhiều cơ hội xuất khẩu sang nhiều thị trường trong khu vực và trên thế giới. Đặc điểm tự nhiên vùng chăn nuôi nghêu Nghêu là loài sống vùi phân bố trên các bãi biển, eo vịnh có đáy là cát pha bùn. Theo nghiên cứu chỉ tiêu môi trường của nghêu ở đồng bằng sông Cửu Long cho thấy nghêu thường phân bố nhiều ở nơi nền đáy có tỷ lệ cát 68 - 75%, tỷ lệ sét 21 - 31%, đất thịt có tỷ trọng thấp < 7%. Bãi nghêu phân bố thường ở gần cửa sông có sóng gió nhẹ, có nguồn nước ngọt chảy vào. Chúng phân bố từ vùng trung triều, hạ triều, cho đến độ sâu 1-2m nước, có khi bắt gặp ở cả độ sâu 2-4m. Trong tự nhiên chưa gặp loài này ở đáy bùn nhuyễn hay bùn cát. Nghêu là loài rộng nhiệt: Chúng có thể sống trong điều kiện nhiệt độ từ 5 - 35oC, khoảng nhiệt độ thích hợp cho nghêu phát triển là 28-31oC, tốc độ dòng chảy 0,1 - 0,25 m/s, hàm lượng oxy hoà tan khoảng 4 - 6 mg/l, pH 6-9, độ mặn dao động từ 19- 26%0 độ mặn phù hợp cho ngao phát triển nhất là 22-25%0. Nghêu sinh trưởng theo mùa, đặc biệt là vào mùa mưa, chất hữu cơ từ các cửa sông đổ ra nhiều, nghêu mau lớn, sinh trưởng nhanh. Nghêu là loài phân tính đực cái riêng, chưa gặp hiện tượng lưỡng tính. Khi tuyến sinh dục thành thục, nó căng lên như hai múi bưởi, màu nâu nhạt. Số trứng trong noãn sào con cái 3.168.000 - 8.650.000, trung bình 5.362.000 trứng trong một cá thể. Đây là loài
7 sinh sản quanh năm, nhưng tập trung vào tháng 1 đến tháng 2 và tháng 7 đến tháng 8. Tỷ lệ đực cái trung bình 1:1, 5. Một con nghêu cái có thể đẻ hàng triệu trứng một lần. Đẻ trung bình 5 triệu trứng/cá thể. Ấu trùng nghêu sống trôi nổi trong nước một thời gian thì hình thành vỏ rồi chìm xuống đáy. Nghêu “cám” bé bằng nửa hạt gạo, vỏ mỏng, dẹp, nặng 0,04-0,07 g (15.000-25.000 con/kg) vùi sâu xuống cát khoảng 1 cm, lên kiếm ăn theo thủy triều và thường bị sóng cuốn và dòng triều đưa đi tương đối xa, có khi dạt lên cao, bị phơi khô mà chết. Sau khoảng hơn 1 tháng, nghêu cám lớn thành nghêu giống, nặng 0,16-0,20 g (5.000-6.000 con/kg), vỏ đã tương đối cứng, có thể đem ươm ở các bãi. Chọn bãi nuôi nghêu ở vùng gần bờ, cách khoảng 500 m; không quá gần cửa sông (vùng nước ngọt đổ ra biển); cách xa nơi bị ô nhiễm từ nguồn nước thải nội địa, nhất là nơi thải của các loại hóa chất; ít bị sóng gió tác động, thuận tiện cho việc chăm sóc và quản lý. Mặt bãi cần bằng phẳng, không ứ đọng nước nhiều, có chế độ thủy triều lên xuống đều đặn, khi nước rút thì bãi hoàn toàn cạn (thời gian phơi bãi khoảng 5-6 giờ/ngày). Chất đáy là cát bùn, trong đó cát chiếm từ 70-90%. Trước khi thả giống, cần nhặt bỏ các tạp chất có trong bãi, cắm cọc và rào lưới chắn xung quanh. Nghêu là loại động vật ăn lọc, 90% thức ăn là mùn bã hữu cơ, còn lại là sinh vật phù du-chủ yếu là tảo silic, tảo giáp, tảo lam, tảo lục và tảo kim. Nghêu ăn và tăng trưởng mạnh từ tháng thứ hai đến tháng thứ năm. Mưa lũ làm giảm độ mặn, khiến nghêu ít ăn và chậm lớn. Khi nghêu tăng trưởng, khối lượng thịt tăng chậm hơn so với vỏ. Cứ 100 kg nghêu cỡ 35-37 mm (45-50 con/kg), ta thu được 7,7-8,3 kg thịt; nhưng với
8 100 kg nghêu to cỡ 49-50 mm (19-21 con/kg) thì chỉ thu được 6,7-7,3 kg thịt. Vì vậy không nên để nghêu quá lớn mới thu hoạch. 1.1.2. Năng suất và các phương pháp thu hoạch nghêu ở nước ta Năng suất nuôi nghêu Theo khảo sát hiện nay năng suất nuôi nghêu trung bình là 20-25 tấn/ha, nhưng nếu người nuôi có kinh nghiệm và kỹ thuật cao, chăm sóc tốt thì có thể đạt 50-55 tấn/ha, như vậy nếu mật độ nghêu phân bố đều thì mỗi m2 bãi nuôi có thể thu hoạch từ 2 đến 5,5 kg nghêu thịt. Thu hoạch Thu hoạch nghêu là khâu nặng nhọc, chiếm nhiều nhân công nhất trong quy trình nuôi nghêu và quyết định rất nhiều đến năng suất. Giá ngày công lao động vào thời vụ thu hoạch cao gấp 1,5 – 2 lần so với ngày thường. Để có thể thiết kế chế tạo ra máy thu hoạch nghêu có các đặc tính kỹ thuật phù hợp, đáp ứng các yêu cầu về năng suất, chất lượng khâu thu hoạch nghêu, cần thiết phải có các nghiên cứu đồng bộ liên quan đến đặc tính sinh trưởng, kỹ thuật nuôi nghêu, đặc điểm địa hình, tính chất đất, điều kiện khí hậu thời tiết thủy văn vùng bãi nuôi nghêu và các hình thức thu hoạch nghêu đã và đang được áp dụng. Thời gian thu hoạch quanh năm. Khi nghêu đạt kích cỡ thương phẩm trung bình từ 40 - 60 con/kg. Mùa thu có chất lượng cao vào tháng 4 - 7. Thu hoạch nghêu lúc đạt kích cỡ vừa (dài khoảng 30-40mm), sau 8-10 tháng nuôi. Chọn thu hoạch vào lúc cuối mùa mưa, là lúc nghêu mập, nặng ký, ngon. Tiến hành thu hoạch vào lúc triều rút, lúc chúng đã được ăn no và thải ra các thức ăn thừa thãi, chỉ giữ lại nước nên thịt nghêu sẽ rất sạch (ngược lại, lúc triều lên, nghêu thường ngậm cát, bùn).
9 Hình1.2. Khai thác nghêu thủ công Khai thác nghêu hiện nay còn rất thủ công, người khai thác nghêu dùng cào sắt để cào nghêu. Sau một ngày làm việc mỗi người chỉ cào được khỏang 60- 70kg. nên chi phí cho khâu thu hoa ̣ch là rấ t lớn đồ ng thời không đảm bảo đươ ̣c tiń h thời vu ̣. Một hình thức thu hoạch cho năng suất cao hơn là dùng áp lực và lưu lượng nước từ bơm nước để gom và làm sạch nghêu, tuy nhiên hình thức thu hoạch này yêu cầu phải có nguồn nước gần bãi nuôi, gây xáo trộn bề mặt vùng bãi nuôi sau thu hoạch.
10 1.2. Tình hình cơ giới hóa thu hoạch nghêu ở trong nước và ngoài nước 1.2.1. Tình hình cơ giới hóa thu hoạch nghêu ở ngoài nước Nghêu hiện nay đã được nuôi theo hình thức tập trung ở các nước thuộc khu vực châu Á như: Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Đài Loan…, tuy nhiên quy mô còn ở mức độ nhỏ vì vậy nhu cầu cơ giới hóa khâu thu hoạch chưa cao, hiện nay hình thức thu hoạch chủ yếu vẫn là thủ công và sử dụng một số công cụ hỗ trợ năng suất thấp. 1.2.2. Tình hình cơ giới hóa thu hoạch nghêu ở trong nước Từ khi nghề nuôi nghêu ở nước ta hình thành và phát triển đến nay việc thu hoạch nghêu hoàn toàn bằng thủ công. Khi thủy triều hạ dần để lộ những bãi nghêu còn xâm xấp nước thì những người bắt nghêu dùng lưỡi cào hớt nhẹ lên lớp cát để nhặt nghêu. Lưỡi cào rà đến đâu, nghêu hiện ra đến đó, được họ nhặt cho vào gùi. Công việc cào nghêu chỉ kết thúc khi con nước bắt đầu lên cao. Dụng cụ cào nghêu đơn giản chỉ là một cào sắt nhỏ có từ 5 đến 7 răng nhưng công việc lại hết sức vất vả vì phụ thuộc vào thủy triều. Những người gắn bó với nghề này nắm rõ quy luật lên xuống của con nước để kịp đi cào nghêu khi nước vừa rút. Sử dụng bơm nước tạo áp suất của dòng nước để loại bỏ lớp cát bề mặt và gom nghêu thành đống là hình thức thu hoạch đã được ứng dụng tại một số vùng chăn nuôi nghêu tập trung. Phương pháp thu hoạch này cho năng suất khá cao, chất lượng nghêu thu hoạch đảm bảo về độ sạch, nhưng phụ thuộc nhiều vào vị
11 trí nguồn nước, gây xáo trộn bề mặt sau thu hoạch và chất lượng nghêu thương phẩm không cao do nghêu bị ngậm cát. Hiện nay Viện phát triển công nghệ Cơ – Điện Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã nghiên cứu thiết kế chế tạo một LHM thu hoạch nghêu cỡ nhỏ năng sất 0.5 ha/h, có khả năng thu gom, phân loại và di chuyển ổn định trên nền đất yếu. Hiện nay máy đang được thử nghiệm để tiếp tục hoàn thiện kết cấu và nguyên lý làm việc, đặc biệt là cho các bộ phận máy công tác và hệ thống di động, để có thể đáp ứng tốt nhất các yêu cầu công việc thu hoạch nghêu. Hình 1.3. Mô hình máy thu hoạch nghêu
12 1.3. Cơ sở lý thuyết tính toán thành lập liên hợp máy 1.3.1. Tính chất cơ lý của đất Các tính chất cơ học của đất có ảnh hưởng trực tiếp đến các thành phần tác động lên dải xích của máy kéo từ đó làm ảnh hưởng đến khả năng kéo bám của hệ thống di động máy, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật khác của liên hợp máy kéo. Việc nghiên cứu sâu về các tính chất cơ lý của đất đã có chuyên ngành riêng, đó là cơ học đất. Trong phạm vi đề tài luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu một số tính chất cơ bản liên quan đến khả năng và hiệu suất làm việc của các liên hợp máy kéo. Nhiều công trình nghiên cứu về sự tương tác giữa hệ thống di động của ô tô, máy kéo với nền đất đã khẳng định khả năng chống biến dạng của đất theo phương pháp tuyến (vuông góc với nền đất) và theo phương tiếp tuyến (song song với nền đất) gây ảnh hưởng lớn nhất đến các chỉ tiêu kéo bám, khả năng lái, hiệu quả phanh, và ảnh hưởng đến tính ổn định chuyển động của liên hợp máy. Dưới tác động của hệ thống đi động sẽ làm cho các phần tử đất xê dịch theo các phương khác nhau và xuất hiện các ứng suất theo các phương đó. Để tiện cho việc nghiên cứu, thông thường người ta phân tích các ứng suất theo hai thành phần: thành phần pháp tuyến  và thành phần tiếp tuyến  . Thông qua các quy luật thay đổi và các giá trị giới hạn của các ứng suất này ta có thể đánh giá khả năng chống biến dạng và khả năng mang tải của nền đất tiếp xúc với dải xích của máy kéo. Các thông số này thường được sử dụng làm thông số đầu vào cho các mô hình nghiên cứu tính chất kéo bám của hệ thống di động máy kéo.
13 Các tính chất cơ lý của đất được nghiên cứu khá sâu ở các công trình nghiên cứu của N.A Xưtôvich, M.G Becker, GS.TSKH Phạm Văn Lang, TS Phạm Văn Ngân. Các tính chất này của đất ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng di chuyển của máy kéo. 1.3.2. Khả năng chống nén của đất Để nghiên cứu khả năng chống nén của đất thường người ta sử dụng thiết bị chuẩn để ép đầu đo vào trong đất. Quan hệ giữa ứng suất pháp tuyến  và biến dạng h trong quá trình nén được thể hiện trong hình 1.4. Đồ thị này có tên gọi là đặc tính nén của đất hay đường cong nén đất. Đặc tính nén của đất có thể chia thành 3 phần tương ứng với ba giai đoạn của quá trình nén đất. Trong giai đoạn thứ nhất chỉ xảy ra sự nén chặt làm cho các phần tử đất xích lại gần nhau, quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng là tuyến tính. Trong giai đoạn thứ hai sự nén chặt đất vẫn tiếp tục xảy ra nhưng đồng thời xuất hiện cục bộ hiện tượng cắt đất ở một số vùng bao quanh khối đất. Khi đó ứng suất lớn hơn lực nội ma sát và lực dính giữa các hạt đất, do đó biến dạng sẽ tăng nhanh hơn so với sự tăng ứng suất và quan hệ giữa chúng là phi tuyến. Cuối giai đoạn hai ứng suất trên toàn bộ vùng bao quanh khối đất lớn hơn nội lực ma sát và lực dính giữa các phần tử đất, quá trình nén chặt đất kết thúc và bắt đầu xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn giữa khối đất và vùng đất bao quanh nó và ứng suất pháp tuyến đạt giá trị cực đại. Trong giai đoạn thứ ba chỉ xảy ra hiện tượng truợt của khối đất, ứng suất không tăng nhưng biến dạng vẫn tiếp tục tăng. Ở một số loại đất trong giai đoạn này ứng suất còn giảm xuống chút ít. Sự xuất hiện ứng suất pháp tuyến trong đất là do tác động của ngoại lực (lực nén). Khi tăng lực nén sẽ làm tăng ứng suất cho đến khi đạt đến ứng suất
14 cực đại, sau đó dù có tăng lực nén ứng suất không tăng nữa. Do đó ứng suất cực đại max sẽ đặc trưng cho khả năng chống nén của đất. Giá trị cực đại  max và độ sâu h* phụ thuộc vào loại đất và trạng thái vật lý của nó. Do vậy  max thường được sử dụng để đánh giá khả năng chống nén và khả năng mang tải của đất. σ σmax σ0 I II III 0 h* h Hình 1.4. Đặc tính nén của đất Sự biến dạng của đất theo phương pháp tuyến liên quan đến độ sâu của vết bánh xe và do đó ảnh hưởng đến lực cản lăn của máy kéo. Vì vậy đường đặc tính nén đất được sử dụng như một cơ sở khoa học để tính toán thiết kế hệ thống di động của máy kéo. Khi chỉ nghiên cứu vùng quan hệ tuyến tính có thể sử dụng công thức đơn giản nhất:   hk , (1 – 1) Trong đó: k – hệ số biến dạng thể tích, N/m3, phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất. h – Độ biến dạng của đất, m.
15 Để mô tả toàn bộ đường cong, M.G Becker đã đề suất hàm số mũ: k     0  k  hn , (1 – 2) b  Trong đó: k0 – Hệ số bám, N/m1+n. b – đường kính đầu đo, m. k – Hệ số ma sát trong của đất, N/m1+n; n – Chỉ số mũ. h – Độ biến dạng của đất, m Theo V.V Kasưghin, đường cong nén đất được mô tả theo hàm tang Hypecpolic sẽ phù hợp với thực tế hơn, cụ thể ông đã đề suất công thức: k    0th h (1– 3) 0 Trong đó:  0 – là ứng suất giới hạn của đất khi nén bằng đầu đo, Pa. k – hệ số biến dạng thể tích, N/m3; h – độ biến dạng của đất. Công thức (1– 3) là công thức tổng quát của các công thức (1 – 1) và công thức (1 – 2). Thực tế ta khai triển hàm hypecpolic (1 – 3) theo dạng chuỗi và chỉ lấy số hạng thứ nhất sẽ nhận được công thức (1 – 1), sau đó sử dụng một vài phép biến đổi sẽ nhận được công thức (1 – 2). 1.3.3. Khả năng chống cắt của đất Các yếu tố cơ bản để tạo ra lực chống cắt của đất là các thành phần lực liên kết phần tử và lực liên kết do sức căng của bề mặt và lực nội ma sát trong đất.
16 Trong quá trình cắt đất theo phương ngang xảy ra sự biến dạng và xuất hiện các ứng suất tiếp tuyến. Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa biến dạng  và ứng suất  có dạng như đồ thị trên hình 1.5. τmax1 τ τδ2 τmax2 =ττmax δ2 τmax1 1 1 2 0 δ0 δ τm Hình 1.5. Đặcτmax1 tính cắt của đất τm ax1 1 - Đất chặt; 2 - Đất xốp ax1 Đối với đất chặt, ứng suất cắt cực đại  max và  0 , sau đó giảm dần đến một giá trị tới hạn nào đó   1 rồi xảy ra trượt hoàn toàn (đường 1). Đối với đất xốp thì ứng suất cắt  tang dần tới giá trị cực đại  max 2 rồi xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn, nghĩa là giá trị tới hạn bằng bằng giá trị cực đại   2 =  max 2 (đường 2). Khả năng chống cắt của đất được đặc trưng bởi ứng suất tới hạn của nó. Giá trị ứng suất tới hạn   phụ thuộc vào loại đất và ứng suất pháp tuyến  . Trên hình 1.6a thể hiện đặc tính cắt đất rời khi thay đổi các giá trị ứng suất pháp khác nhau. Với áp suất ngoài càng lớn thì ứng suất giới hạn   cũng càng lớn. Quan hệ giữa ứng suất cắt   và ứng suất pháp  là tuyến tính, thể hiện trên hình 1.6b và được biểu diễn bởi công thức:
17    tg . (1– 4) Trong đó:  - Góc ma sát của đất. Đối với đất dính, quan hệ giữa ứng suất giới hạn và ứng suất pháp có dạng như hình 1.6c và mối quan hệ đó được thể hiện bằng công thức:    0   tg , (1 – 5) Trong đó:  0 - Ứng suất cắt do lực dính gây ra. τ τδ 3 τ 2 τ ma 1 x1 τδ = σtgφ τ ma τmax1 x1 ma x1 φ 0 ∆ 0 σ a) b) τ τma τ τma ma 1.6. Ảnh hưởng của tải trọng pháp Hình x1 τδma x1 tuyến x1 đến khả năng chống cắt của đất x1 a) Quan hệ giữa ứng suất tiếp τ và chuyển vị ∆ (1, 2, 3 với ba mức ứng suất pháp tăng dần). τδ = τ0 +σtgφ b) Quan hệ giữa ứng suất tiếp τδ và τmax1 chuyển vị σ khi cắt đất rời. φ c) Quan hệ giữa ứng suất tiếp τδ và τ0 chuyển vị σ khi cắt đất dính. 0 σ c) τ τma ma x1 x1 Trong thực tế, điều kiện làm việc của máy kéo thường chuyển động trên các loại đất tự nhiên. Quá trình tương tác giữa hệ thống di động xích (xích hoặc
18 bánh xe) với nền đất xảy ra phức tạp hơn. Các mấu bám cắt đất theo 3 mặt: mặt đáy, và 2 mặt cạch. Quan hệ giữa lực cắt T và tải trọng pháp tuyến N có dạng như hình 1.7. Quá trình cắt đất có thể mô hình hóa như hình 1.8. v T τc τ φ τc a hb p τ ττ τma T0 x1 ma ma ma 0 x1x1 x1 N τ τ ∆ Hìnhma1.7. Sự phụ thuộc lực cắt đất T ma Hình 1.8. Ứng suất sinh ra trong vào tải trọng pháp tuyến N x1 x1 đất do tác dụng của mẫu bám bánh xe Lực chống cắt của đất biểu thị qua công thức : T = T0 + Ntg  (1 – 6) Trong đó : T0 – Lực dính. N – Tải trọng pháp tuyến.  - Góc ma sát trong. Nếu chúng ta ký hiệu lực ma sát nghỉ là Tn = Tmax và fn là hệ số ma sát nghỉ thì ta có thể xác định chúng theo công thức sau : T0 Tn = fnN ; fn = tg  ; N Chia lực T0 và N cho diện tích tiếp xúc A ta nhận được :
19 T0 0  - Là ứng suất chống cắt do lực dính tạo ra. A N p - Áp suất do tải pháp tuyến N gây ra. A Khi đó hệ số ma sát nghỉ có thể tính theo công thức: 0 fn= tg  (1 – 7) N Qua công thức (1 – 7) ta thấy hệ số ma sát nghỉ phụ thuộc vào áp suất p (với sự tăng p làm giảm fn). Đôi khi người ta còn gọi hệ số ma sát nghỉ là hệ số ma sát nằm ngoài nhằm phân biệt ma sát trong f = tg ( trong đó  là góc ma sát trong). Khi ngoại lực tác dụng lên đất bằng hoặc lớn hơn ma sát nghỉ thì sẽ xảy ra sự trượt tương đối với nhau giữa các phần tử đất. Khi đó lực chống cắt sẽ được tính theo lực ma sát trượt: T  f N Trong đó : f - hệ số ma sát trượt. Đôi khi hệ số ma sát trượt còn được gọi là hệ số ma sát trong. Hệ số này phụ thuộc vào áp suất ngoài p. Thực nghiệm cho thấy rằng sự phụ thuộc của các hệ số ma sát vào áp suất p có dạng như hình 1.9. fn, fδ fn fδ 0 p τ Sự phụ thuộc của hệ số ma sát nghỉ τf và hệ Hình 1.9. n ma số ma sát trượt f vào áp suất p ma δ x1 x1