Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống thủy lực điều khiển neo giữ liên hợp máy lâm nghiệp khi làm việc trên vùng đồi núi có độ dốc lớn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu hệ thống thủy lực điều khiển neo giữ liên hợp máy lâm nghiệp khi làm việc trên vùng đồi núi có độ dốc lớn" được hoàn thành với mục tiêu nhằm đánh giá tính chất động lực học và điều khiển của LHM vận xuất gỗ có trang bị hệ thống thủy lực (HTTL) điều khiển neo giữ trong một số điều kiện chuyển động khi vận xuất gỗ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống thủy lực điều khiển neo giữ liên hợp máy lâm nghiệp khi làm việc trên vùng đồi núi có độ dốc lớn

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM MAI HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN NEO GIỮ LIÊN HỢP MÁY LÂM NGHIỆP KHI LÀM VIỆC TRÊN VÙNG ĐỒI NÚI CÓ ĐỘ DỐC LỚN Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9 52 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2021
Công trình được hoàn thành tại: HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: 1) PGS. TS. BÙI HẢI TRIỀU 2) PGS. TS. NGUYỄN THANH QUANG Phản biện 1: GS TS CHU VĂN ĐẠT Học viện Kỹ thuật Quân sự Phản biện 2: PGS TS NGUYỄN NHẬT CHIÊU Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam Phản biện 3: PGS TS TRẦN QUANG HÙNG Trƣờng Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện, họp tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Nông nghiệp Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long
PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Sản xuất lâm nghiệp là một quá trình sản xuất đặc thù, hầu hết công việc đều gắn với rừng, đất rừng, điều kiện sản xuất phức tạp. Từ khâu làm đất, trồng cây, chăm sóc, khai thác, … cần được nghiên cứu để nâng cao năng suất, giảm nhẹ sức lao động, an toàn cho người và thiết bị cũng như bảo vệ môi trường giúp phát triển bền vững. Trên thế giới có nhiều xe máy chuyên dùng có thể đáp ứng với đặc thù địa hình đất dốc nhưng hầu hết được thiết kế cho quy mô sản xuất lớn nên chi phí rất cao. Hệ thống tời có thể neo giữ liên hợp máy (LHM) đứng yên trên dốc để làm đất, khai thác gỗ hay di chuyển khi vận xuất gỗ mà vẫn đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. Ở Việt Nam hầu như chưa có những thiết bị chuyên dùng với công suất nhỏ để phù hợp quy mô sản xuất nhỏ cũng như điều kiện địa hình phức tạp. Thay vào đó là việc sử dụng các máy kéo nông nghiệp (MKNN) công suất nhỏ được cải tiến cho phù hợp từng hạn mục công việc như làm đất, bốc dỡ gỗ hay vận xuất các sản phẩm lâm nghiệp. Trong thực tế có nhiều hệ thống neo giữ được sử dụng rộng rãi để kéo xe vượt lầy, dốc và gần đây được sử dụng có hiệu quả để neo giữ xe, máy chuyên dụng, đặc biệt là xe khai thác gỗ làm việc an toàn, ổn định trên đất dốc với độ dốc lên đến 70%. 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - Thiết kế, chế tạo mẫu HTTL điều khiển neo giữ LHM vận xuất gỗ hoạt động ổn định an toàn trên đất lâm nghiệp có độ dốc lên đến 20 độ, có khả năng thu hồi và tái sử dụng động năng khi xuống dốc để hỗ trợ chuyển động lên dốc và phục vụ các nhiệm vụ công nghệ khác trong quá trình vận xuất gỗ.. - Đánh giá tính chất động lực học và điều khiển của LHM vận xuất gỗ có trang bị hệ thống thủy lực (HTTL) điều khiển neo giữ trong một số điều kiện chuyển động khi vận xuất gỗ. 1
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1. Phạm vi về nội dung Qua phân tích điều kiện làm việc của LHM vận xuất gỗ rừng trồng cỡ nhỏ (bao gồm MKNN và rơ móc một cầu) có trọng lượng tối đa 2 tấn, làm việc trên vùng đất có góc dốc lên đến 20 độ. Qua nghiên cứu tài liệu lý thuyết và quan sát thực tế, tác giả được biết rằng LHM phải hoạt động trên địa hình đất dốc có điều kiện mặt đường là đất rừng có hệ số bám thấp, có thể có mấp mô kích thước thước lớn trên đoạn đường dốc. Mặc khác loại dốc mà LHM thường di chuyển là dốc dọc, cụ thể là LHM chỉ di chuyển lên dốc (thường không có tải) và xuống dốc (thường đầy tải) nên phạm vi nghiên cứu về nội dung của đề tài là: - Góc dốc tối đa lên đến 20 độ (thông thường rừng trồng chỉ có ở các vùng đất có góc tối đa 20 độ, nếu góc dốc cao hơn nữa thì khâu làm đất, chăm sóc, … gặp rất nhiều khó khăn, nguy hiểm); - Mặt đường là đất tự nhiên có hệ số bám thấp, đôi khi xuất hiện mấp mô có kích thước lớn; - Bộ phận được tập trung nghiên cứu là HTTL tự động điều khiển lắp trên LHM cỡ nhỏ; - Tập trung nghiên cứu đối với trường hợp dốc dọc, bỏ qua trường hợp dốc ngang. 1.3.2. Phạm vi về không gian - Quá trình thí nghiệm được tổ chức trong phòng thí nghiệm của Khoa Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Việt Hung; - Đối tượng nghiên cứu là HTTL điều khiển neo giữ được lắp trên LHM vận xuất gỗ làm việc trên các vùng đất dốc có góc dốc lên đến 20 độ thuộc các tỉnh phía Bắc Việt Nam. 1.4. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Giải pháp công nghệ phù hợp cho LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ làm việc trên dốc cao, bố trí HTTL neo giữ điều khiển áp suất, tích hợp các phần tử thủy lực để thu hồi tích lũy và tái sử dụng năng lượng phù hợp; - Thiết kế, chế tạo mẫu một HTTL điều khiển neo giữ phù hợp với 2
LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ, hoạt động ổn định, an toàn, chi phí đầu tư hợp lý; - Mô hình, mô phỏng động lực học của hệ thống neo giữ và LHM mô tả đầy đủ về kết cấu, điều khiển và các trạng thái hoạt động của LHM vận xuất gỗ trên đất dốc lớn; - Hệ thống thí nghiệm truyền động thủy lực có thể thực hiện linh hoạt các phương án kết cấu tải trọng và điều khiển, phục vụ tốt cho các nghiên cứu liên quan. 1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Các mô hình mô phỏng động lực học và điều khiển của HTTL neo giữ và LHM vận xuất gỗ được trang bị hệ thống neo giữ cũng như kết quả mô phỏng các trạng thái động lực học và điều khiển điển hình là cơ sở khoa học quan trọng phục vụ thiết kế, tối ưu hóa và chỉ dẫn vận hành các thiết bị nông lâm nghiệp hoạt động trên đất dốc. Giải pháp công nghệ neo giữ, kéo, thả thiết bị cơ giới nhờ HTTL rất phù hợp với thực tế sản xuất lâm nghiệp trên vùng dốc cao, đặc biệt là các công đoạn khai thác và vận chuyển gỗ. PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH TRONG SẢN XUẤT LÂM NGHIỆP TẠI VIỆT NAM Diện tích rừng tính đến 31/12/2018 là 14,491 triệu ha, phần lớn diện tích đất có độ dốc dưới 150 (chiếm 21,9%) đã được sử dụng cho sản xuất nông nghiệp hoặc nông lâm kết hợp. Diện tích đất có góc dốc từ 150 đến 250 chiếm khoảng 16,4%, còn lại là đất có độ dốc lớn hơn 250 (chiếm 61,7%) . Quá trình vận xuất gỗ chủ yếu là chuyển gỗ từ nơi chặt hạ đến nơi tập trung để vận chuyển đi. Ở nơi có độ dốc lớn có thể dùng máng lao, đường cáp; ở nơi địa hình tương đối bằng phẳng dùng sức kéo của súc vật (Trâu và Voi) trước thời kỳ dùng máy kéo. Vận xuất bằng đường dây cáp được dùng ở nơi có địa hình núi cao. Cơ giới hóa khai thác rừng, trong đó vận xuất là chủ chốt, cần được đẩy mạnh ở Việt Nam. 3
2.2. TÌNH HÌNH CƠ GIỚI HÓA LÂM NGHIỆP TẠI VIỆT NAM Đối với địa hình có độ dốc trên 15% có thể làm đất theo phương thức san ủi bậc thang theo đường đồng mức nhờ các máy kéo xích lớn sau đó cày lật hoặc cày ngầm. Đặc biệt với địa hình cao hơn có thể là đất theo phương thức tạo hố trồng cây, sử dụng các máy khoan hố lắp sau máy kéo có công suất vừa và nhỏ. Ở nước ta, các khâu canh tác trong lâm nghiệp đã được nghiên cứu áp dụng với nhiều phương thức và mức độ khác nhau nhằm nâng cao năng suất, chất lượng các khâu công việc trong sản xuất. Những năm gần đây, một số loại thiết bị như: Komatsu, Caterpilar, … với các thiết bị canh tác kèm theo đã được ứng dụng vào sản xuất. 2.3. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC GỖ TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Công nghệ khai thác, vận xuất gỗ rừng trồng phổ biến hiện nay là sử dụng LHM bánh hơi, bánh xích có công suất nhỏ chủ yếu làm việc trên đất tương đối bằng phẳng. Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo LHM vận xuất gỗ công suất nhỏ làm việc trên vùng đất dốc chưa được thực hiện trong khi nhu cầu thực tế sản xuất là rất lớn. Vài năm gần đây, các nước trên thế giới đã sử dụng rộng rãi các loại máy lâm nghiệp phức hợp để khai thác gỗ. Máy có khả năng dịch chuyển bộ phận làm việc nhiều mét nhờ một cơ cấu vươn xa. Tại các nước đang phát triển, công nghệ khai thác gỗ phổ biến là công nghệ trung bình với đặc trưng là sử dụng MKNN được lắp đặt thêm các trang bị chuyên dùng để bốc dỡ vận chuyển cự ly ngắn. Tại Việt Nam, đặc biệt là vùng chuyên canh gỗ nguyên liệu giấy, người ta áp dụng chủ yếu loại hình khai thác gỗ ngắn. Máy kéo lâm nghiệp có công suất lớn, làm việc ổn định, tin cậy và công suất cao. Các máy kéo dùng để vận chuyển gỗ nửa lết được trang bị tời gom gỗ từ xa, treo giữ một đầu bó gỗ khi di chuyển. Máy kéo nông nghiệp đã được sử dụng rộng rãi trong việc khai thác gỗ rừng trồng. Phần Lan sử dụng MKNN để chuyên chở gần 1/3 lượng gỗ khai thác hàng năm. Việc sử dụng MKNN để vận xuất và vận chuyển gỗ ở Na uy, 4
Thụy điển, Pháp, Italia, Canada, ... chiếm khoảng 45% sản lượng gỗ khai thác hàng năm. 2.4. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Quá trình nghiên cứu được biết nhiều nhà khoa học đã có những công khoa học đáng kể về thiết bị khai thác và vận xuất gỗ rừng trồng, thiết bị tời kéo dành cho các địa hình đất dốc, … đặc biệt trong đó có công trình khoa học của một nhóm các kỹ sư và sinh viên từ Đại học kỹ thuật ở Goettingen, Foresters đã có công trình nghiên cứu về việc thiết kế bộ tời điều khiển thủy lực để lắp trên thiết bị lâm nghiệp chuyên dùng trong vận xuất gỗ công suất lớn. Với sự hỗ trợ của thiết bị này, thiết bị lâm nghiệp chuyên dùng có thể vượt dốc có độ dốc lớp lên đến 70% trong khi chở đầy tải. Với sự hỗ trợ của tời kéo, lực cản dốc đã được triệt tiêu giúp cho thiết bị di chuyển không trượt giống như trên mặt đường bằng. Do địa hình đất lâm nghiệp Việt Nam khá phức tạp, ngoài sản xuất lâm nghiệp thường tập trung ở vùng sâu, vùng xa nên việc áp dụng cơ khí hóa gặp rất nhiều khó khăn, thậm chí nhiều thiết bị không thể hoạt động ở địa hình dốc lên đến 20 độ. Đề tài được chọn là cần thiết, có tính mới mẻ, mang ý nghĩa khoa học và thực tế cao. PHẦN 3. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu, lựa chọn sơ đồ mạch thủy lực điều khiển neo giữ và định cỡ các phần tử truyền động và điều khiển. - Nghiên cứu mô phỏng tính chất hoạt động và điều khiển của HTTL điều khiển neo giữ. - Xây dựng mô hình thí nghiệm HTTL điều khiển neo giữ để tái hiện hoạt động của LHM vận xuất gỗ trên thị trường. - Nghiên cứu một số tính chất chuyển động và điều khiển của LHM vận xuất gỗ sử dụng HTTL điều khiển neo giữ. - Nghiên cứu khả năng thu hồi, tích lũy và tái sử dụng động năng khi LHM xuống dốc để trợ giúp khởi hành, bốc dỡ gỗ và kéo gom gỗ. 5
3.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong luận án sử dụng chủ yếu phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng bằng phần mền MathLab- simulink để giải bài toán và khảo sát các vấn đề nghiên cứu. Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được sử dụng để kiểm chứng lý thuyết, so sánh đánh giá mô hình mô phỏng. Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng để đạt mục tiêu chính là thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển tời thủy lực lắp trên LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ làm việc trên vùng đất rừng có độ dốc lớn. PHẦN 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN NEO GIỮ LIÊN HỢP MÁY VẬN XUẤT GỖ Ý tưởng khi thiết kế là lực căng dây tời FS gần như cân bằng được với lực cản dốc FH, nhờ đó lực chủ động FA tạo bởi tương tác đất – bánh xe tác động gần như tương tự khi chuyển động trên đường phẳng. 1. Bộ tời neo giữ; 2. Máy kéo; 3. Bộ tời gom gỗ; 4. Rơ mooc; FA. Phản lực mặt đường; FG1. Trọng lực máy kéo; FG2. Trọng lực rơ móc; FH1. Lực cản dốc máy kéo; FH2. Lực cản dốc rơ móc; FL1. Lực ma sát lăn bánh xe chủ động; FL2. Lực ma sát lăn rơ móc; FL3. Lực ma sát lăn bánh xe bị động; FT1. Lực ma sát trượt bánh xe chủ động; FL2. Lực ma sát trượt rơ móc; FL3. Lực ma sát trượt bánh xe bị động; FN1. Lực pháp tuyến máy kéo; FN2. Lực pháp tuyến rơ móc; FN1’. Phản lực pháp tuyến bánh xe chủ động; FN2’. Phản lực pháp tuyến rơ móc; FN3’. Phản lực pháp tuyến bánh xe bị động; FS. Lực căng dây tời; vm. Vận tốc của LHM; α. Góc dốc Hình 4.1. Sơ đồ hoạt động liên hợp máy vận xuất gỗ trang bị hệ thống thủy lực neo giữ 6
4.2. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN NEO GIỮ LIÊN HỢP MÁY VẬN XUẤT GỖ Hệ thống neo giữ có thể được tự động điều khiển lực bằng cách so sánh lực căng FS đo được từ cảm biến với giá trị cần điều khiển. Kết quả so sánh được đánh giá trong một bộ điều khiển tự động để điều khiển mô men truyền cho trục tời. Để giải quyết được vấn đề đặt ra, nghiên cứu sinh đã nghiên cứu, phân tích ưu, nhược điểm của 5 sơ đồ khác nhau: a) Hệ thống thủy lực neo giữ điều khiển bơm tác động áp suất; b) Hệ thống thủy lực neo giữ sử dụng bơm thể tích không đổi và van giới hạn áp suất; c) Hệ thống thủy lực neo giữ điều khiển sơ cấp; d) Hệ thống thủy lực neo giữ điều khiển sơ cấp, sử dụng bơm thể tích không đổi; e) Hệ thống neo giữ tích hợp các phần tử thủy lực để thu hồi, tích lũy và tái sử dụng năng lượng. Kết quả cho thấy sơ đồ hệ thống neo giữ tích hợp các phần tử thủy lực để thu hồi, tích lũy và tái sử dụng năng lượng phù hợp nhất có thể áp dụng cho luận án. Với sơ đồ đã có, qua phân tích các điều kiện làm việc của hệ thống, tác giả tiến hành lựa chọn thiết bị, xác định kích cỡ thiết bị, các thông số kỹ thuật đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt,… Để kiểm chứng kết quả mô phỏng cũng như xác định đầy đủ các thông số kỹ thuật cho thiết bị, nghiên cứu sinh đã tổ chức làm thí nghiệm và báo cáo kết quả thí nghiệm vào tháng 5/2019 tại phòng thí nghiệm Khoa Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Việt Hung. 4.3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC NEO GIỮ Để đánh giá tính chất động lực học và điều khiển của HTTL neo giữ, nghiên cứu sinh sử dụng một mô hình mô phỏng rút gọn, mô tả trạng thái hoạt động khi LHM lên dốc xuất hiện kích động từ thay đổi áp suất, lưu lượng và tác động điều khiển (hình 4.2). 7
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống thủy lực neo giữ Với HTTL được trang bị bộ điều khiển áp suất, khi mô men cản (MS) thay đổi do tác động từ yếu tố bên ngoài như độ dốc, chất lượng mặt đường hay tải trọng đặt lên LHM thì hệ thống có thể tự động điều khiển để duy trì áp suất điều khiển chỉ dao động xung quanh giá trị tính toán khoảng 10N/mm2. Lưu lượng bơm cung cấp (QP) luôn được giữ ổn định và hệ thống điều khiển điều tiết lưu lượng qua mô tơ (QM) phù hợp với mô men cản nhằm đảm bảo cân bằng giữa lực cản dốc (FH) và lực căng dây tời (FS). 4.4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.4.1. Mục đích thí nghiệm - Xác định các thông số của hệ thống điều khiển áp suất nguồn; - Xác định một số quan hệ thực nghiệm trong mạch tích lũy năng lượng và tái sử dụng để hỗ trợ chuyển động của LHM; - Đánh giá một số tính chất động lực học và điều khiển của HTTL neo giữ. 4.4.2. Yêu cầu của mô hình thí nghiệm - Tái hiện được các trạng thái làm việc tương tự ngoài hiện trường; - Điều khiển được các trạng thái tương tự ngoài hiện trường; - Tự động điều khiển áp suất hệ thống, không đổi không phụ thuộc biến động áp suất, lưu lượng do tải trọng hoặc nguồn thủy lực; - Đánh giá được khả năng thu hồi động năng khi xuống dốc và hỗ trợ chuyển động lên dốc của bộ phận tích lũy năng lượng; - Chi phí thí nghiệm phù hợp với điều kiện nghiên cứu. 4.4.3. Sơ đồ mạch thủy lực của mô hình thí nghiệm Sơ đồ mạch thủy lực neo giữ LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ, được xây dựng thỏa mãn các yêu cầu đã đặt ra như hình 4.3 và thiết bị thí nghiệm được lắp đặt như hình 4.3. 8
1 và 19. Bơm; 2 và 20. Van giới hạn áp suất, 3. Van đóng ngắt; 4. Bộ điều khiển xung; 5. Bộ điều khiển điện áp; 6. Cảm biến áp suất; 7. Tích áp giảm xung; 8. Van đóng ngắt; 9. Bộ tích lũy năng lượng; 10. Van giới hạn áp suất tích áp; 11, 15, 16, 17 và 18. Van chuyển mạch; 12. Phanh thủy lực; 13 và 14. Mô tơ; Hình 4.3. Sơ đồ mạch thủy lực của mô hình thí nghiệm Hình 4.4. Thiết bị thí nghiệm 4.4.4. Hệ thống đo và xử lý số liệu Trong mô hình thí nghiệm có sử dụng các cảm biến để thu nhận tín hiệu trực tiếp trên hệ thống như: Cảm biến áp suất, cảm biến số vòng quay, cảm biến lưu lượng, … tín hiệu từ các cảm biến này được chuyển đổi sang tín hiệu điện và được bộ phận xử lý chuyển đổi tín hiệu sang tín hiệu số để cuối cùng kết quả đo được hiển thị trên máy tính thông qua phần mềm chuyên dùng LabVIEW. Tìm Khởi Đọc Ghi thông Bắt kiếm → chạy → → thông số → số đầu ra đầu thiết bị thiết bị vào Hình 4.5. Sơ đồ chƣơng trình kết nối với card điều khiển 9
4.4.5. Tổ chức thí nghiệm 4.4.5.1. Thí nghiệm đánh giá biến động áp suất nhân tạo Mục đích của thí nghiệm là kiểm tra khả năng tạo lập biến động áp suất, mô tả các trạng thái nhiễu khi lên dốc, không có hệ thống điều khiển. Áp suất hệ thống có thể thay đổi theo dạng bất kỳ nếu tác động mô men phanh lên trục của động cơ thủy lực hoặc thay đổi số vòng quay của bơm thủy lực nhờ tăng giảm ga của động cơ Diesel. Hình 4.6. Sơ đồ mạch thủy lực thí nghiệm đánh giá biến động áp suất nhân tạo Bằng cách thay đổi áp suất phanh tại cơ cấu phanh thủy lực 12 có thể thay đổi mô men cản trên trục tời. Từ đó tạo ra biến động áp suất trong hệ thống thí nghiệm. Kết quả thay đổi áp suất khi thay đổi mô men cản trên trục tời được sử dụng làm hình ảnh tái hiện biến động áp suất trong HTTL khi hoạt động tại hiện trường, cần khắc phục vật cản trên đường chuyển động lên dốc. Bằng cách thay đổi ga của động cơ truyền lực có thể thay đổi số vòng quay trục bơm, dẫn đến thay đổi lưu lượng cung cấp từ bơm trong khi mô men cản trục bơm được giữ không đổi. Từ đó có thể tạo ra biến động áp suất mong muốn trong thí nghiệm. Kết quả biến động áp suất khi thay đổi số vòng quay động cơ truyền lực được sử dụng làm hình 10
ảnh tái hiện biến động áp suất trong HTTL khi LHM hoạt động ngoài hiện trường, vì lý do nào đó phải tăng giảm ga động cơ máy kéo. Hình 4.7. Biến động áp suất khi Hình 4.8. Biến động áp suất khi thay đổi mô men cản trục tời thay đổi số vòng quay trục bơm Kết quả biến động áp suất cũng như trật tự điều khiển van phân phối 15 còn được sử dụng làm cơ sở để thiết lập hệ thống tự động điều khiển áp suất cũng như xác định, hiệu chỉnh các thông số điều khiển áp suất trong phòng thí nghiệm. Kết quả biến động áp suất và quy luật thay đổi mức ga động cơ Diesel còn được sử dụng để thiết lập hệ thống điều khiển cũng như xác định, điều chỉnh các thông số điều khiển trong phòng thí nghiệm. 4.4.5.2. Thí nghiệm tự động điều khiển áp suất khi lên dốc Mục đích của thí nghiệm nhằm đánh giá tính chất và xác định các thông số của hệ thống điều khiển áp suất trong phòng thí nghiệm. Hình 4.9. Diễn biến áp suất và Hình 4.10. Diễn biến áp suất và tốc độ liên hợp máy khi có mô men khi gặp nhiễu lƣu lƣợng nhiễu từ mô men trục tời Với tác động nhiễu nhân tạo là sự thay đổi mô men cản trên trục tời, qui luật thay đổi tương tự như thí nghiệm, khi giữ cho số vòng quay động cơ không thay đổi, hệ thống tự động điều khiển đã giữ cho áp suất 11
gần như không đổi. Khi xuất hiện biến động áp suất do thay đổi số vòng quay trục bơm và giữ mô men cản trên trục tời không đổi, hệ thống điều khiển tự động cũng hoạt động có hiệu quả, giữ áp suất không đổi trong vùng giá trị cho phép. 4.4.5.3. Thí nghiệm chuyển động xuống dốc của liên hợp máy Mục đích thí nghiệm nhằm xác định một số thông số của quá trình nạp tích áp, phân tích diễn biến mô men do lực căng và vận tốc góc của trục tời. Hình 4.11. Diễn biến áp suất, số Hình 4.12. Quá trình thay đổi vòng quay trục tời và mô men lƣu lƣợng từ tích áp và vận tốc do lực căng dây tời di chuyển liên hợp máy lên dốc Quá trình nạp tích áp diễn ra trong khoảng 40 giây. Áp suất tích áp cực đại đạt đến 200bar phụ thuộc vào áp suất mở van giới hạn áp suất 10. Mô men MS = MM+Mph, trong đó MM = (p.VM)/2π và mô men phanh Mph có quan hệ tỷ lệ nghịch với áp suất p. (Mph = 0 khi p = pmax và Mph = Mmax khi p = 0). Do đó MS = const nếu điều chỉnh áp suất phanh và áp suất giới hạn tại van 10 phù hợp. 4.4.5.4. Thí nghiệm quá trình xả tích áp Mục đích của thí nghiệm quá trình xả tích áp là phân tích sự thay đổi lưu lượng tại cửa ra của tích áp và lưu lượng qua động cơ thủy lực kéo tời. Quá trình xả tích áp từ giá trị áp suất ban đầu đến áp suất cực tiểu kéo dài gần 40 giây, khi đó áp suất cực tiểu của hệ thống cân bằng với áp suất tương ứng với lực cản dốc, mô tơ thủy lực dừng lại. Phần lưu lượng tiếp tục xả trong thời gian ngắn cân bằng với lưu lượng lọt dầu qua mô tơ thủy lực. 12
4.4.5.5. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng Mục đích của thí nghiệm là kiểm tra tính đúng đắn của mô hình mô phỏng HTTL trong một số trạng thái hoạt động điển hình đã được tái hiện trong phòng thí nghiệm. a) Biến đổi của vận tốc bơm b) Biến đổi của mô men cản c) Biến đổi của áp suất d) Biến đổi của lưu lượng Hình 4.13. Đánh giá các biến đổi của vận tốc, mô men, áp suất và lƣu lƣợng giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm Thí nghiệm đầu tiên là tạo ra quá trình biến đổi của 2 thông số vào là np và MS gần đúng với quy luật (chưa lắp hệ thống điều khiển). Thí nghiệm so sánh kết quả điều khiển được tiến hành khi đã kết nối, thiết lập lại hệ thống tự động điều khiển áp suất. Độ chính xác và tin cậy của mô hình mô phỏng HTTL được xác định nhờ so sánh quá trình thay đổi áp suất và lưu lượng trước động cơ thủy lực. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình đã mô tả chính xác hoạt động điều khiển của HTTL khi có biến đổi của các thông số đầu vào là lưu lượng bơm và biến động áp suất. Sự sai lệch giữa kết quả mô phỏng so với kết quả thí nghiệm là không đáng kể. Như vậy, có thể sử dụng mô hình để nghiên cứu mô phỏng các trạng thái động lực học và điều khiển của LHM trang bị HTTL neo giữ khi vận xuất gỗ trên đất dốc. 13
4.5. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA LIÊN HỢP MÁY VẬN XUẤT GỖ SỬ DỤNG HỆ THỐNG THỦY LỰC NEO GIỮ 4.5.1. Sơ đồ truyền động thủy lực của liên hợp máy cỡ nhỏ Sơ đồ truyền động LHM có dạng phân nhánh, truyền công suất song song. Một phần là công suất cơ khí được truyền qua bộ ly hợp qua hộp số và đến bộ phận di động. Một phần khác được truyền qua trục trích công suất tạo chuyển động quay của bơm trong HTTL thông qua các quá trình truyền động thủy lực làm quay trục tời tạo lực căng tời trên dây tời được nối cứng với một điểm cố định phía trên dốc. Hình 4.14. Sơ đồ truyền công suất của liên hợp máy vận xuất gỗ 4.5.2. Sơ đồ mạch thủy lực điều khiển, neo giữ liên hợp máy Sơ đồ mạch thủy lực hình 4.15 thỏa mãn các yêu cầu neo giữ và điều khiển LHM vận xuất gỗ làm việc trên đất rừng có độ dốc cao. Hình 4.15. Sơ đồ mạch thủy lực điều khiển hệ thống neo giữ liên hợp máy vận xuất gỗ Từ sơ đồ này có thể xây dựng các mô hình mô phỏng tương ứng các trạng thái làm việc điển hình của LHM khi làm việc ngoài hiện trường. 14
4.5.3. Xây dựng mô hình mô phỏng liên hợp máy vận xuất gỗ sử dụng hệ thống thủy lực neo giữ 4.5.3.1. Mô hình động cơ máy kéo Động cơ Diesel cung cấp công suất đầu vào cho hai nhánh truyền động của LHM vận xuất gỗ. Mô hình động cơ cần mô tả toán học quan hệ giữa mô men động cơ với số vòng quay và mức ga tương ứng theo hàm số Me=f(ne, ψ). Hàm số Me=f(ne,ψ) được xây dựng trên cơ sở đặc tính ngoài của động cơ nghiên cứu. Điểm làm việc của động cơ là điểm cắt giữa đường cong công suất không đổi với nhánh điều tốc của đặc tính mô men. Nhánh điều tốc của đặc tính hợp với trục hành một góc α và với các mức ga ψ khác nhau nhánh điều tốc sẽ trượt song song theo trục hoành n. Trên cơ sở tính chất đồng dạng có thể xây dựng quan hệ M = f(n, ψ) theo biểu thức: (4.1) 4.5.3.2. Mô hình truyền động thủy lực neo giữ Xuất phát từ các trạng thái làm việc điển hình của LHM, tác giả đã xây dựng các mô hình mô phỏng, các phương trình vi tương ứng và thực hiện mô phỏng cho ra các kết quả cụ thể của các trạng thái đó là: a) Trạng thái khởi hành và chuyển động lên dốc b) Dừng, kéo gom xếp gỗ trên dốc c) Chuyển động xuống dốc, tích áp d) Mô hình bốc dỡ gỗ dưới chân dốc 4.5.3.3. Mô hình truyền động di động của liên hợp máy Từ sơ đồ truyền công suất của LHM có thể xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền động di động của LHM với trạng thái đóng của ly hợp và một số truyền xác định của hộp số. 15
Hình 4.16. Sơ đồ mô phỏng truyền động di động của liên hợp máy Phương trình vi phân tương ứng ̇ { (4.2) ̇ Kết nối mô hình truyền động di động với mô hình truyền động thủy lực neo giữ theo mỗi trạng thái chuyển động sẽ được mô hình mô phỏng tổng thể của LHM sử dụng HTTL điều khiển neo giữ. 4.5.4. Khảo sát một số chế độ động lực học và điều khiển của liên hợp máy vận xuất gỗ sử dụng hệ thống thủy lực neo giữ 4.5.4.1. Khảo sát chuyển động của liên hợp máy trên nền đất có hệ số bám thay đổi cục bộ Hình 4.17. Sơ đồ mô phỏng liên hợp máy chuyển động lên dốc sử dụng hệ thống thủy lực neo giữ điều khiển áp suất 16
Sơ đồ khối mô phỏng (hình 4.17) là kết quả kết nối giữa mô hình động cơ, mô hình truyền động di động và mô hình truyền động thủy lực có điều khiển áp suất. Sơ đồ này có thể sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của quá trình thay đổi ga động cơ đến chất lượng hệ thống điều khiển thủy lực neo giữ LHM vận xuất gỗ. Hệ phương trình vi phân chuyển động tương ứng ̇ { ̇ ̇ Hệ phương trình vi phân tương ứng là hệ phương trình (4.2). Hàm kích động mô hình được biểu diễn như sau: ( ) Với { Vận tốc và lực cản tiếp tuyến của bánh chủ động máy kéo có thể bị thay đổi khi LHM chuyển động lên dốc trên nền đất có độ ẩm cục bộ thay đổi, dẫn đến hệ số bám tại đó giảm mạnh. Sự thay đổi cục bộ của hệ số bám ảnh hưởng đến lực tiếp tuyến FT có thể biểu diễn toán học qua sự thay đổi của C1 như sau: [ ( ) ] Với { Kết quả khảo sát được trình bày trên hình 4.18 17
a) Diễn biến vm và FS b) Diễn biến QP, QK, QM và p Hình 4.18. Kết quả khảo sát khi thay đổi hệ số bám Hình 4.18 trình bày kết quả mô phỏng khi LHM chuyển động qua một vị trí có hệ số bám giảm cục bộ, trong đó có thể nhận ra phản ứng của hệ thống điều khiển thủy lực neo giữ. Theo sự thay đổi hệ số bám C1, vận tốc LHM giảm, các thông số thủy lực thay đổi tương ứng để duy trì lực căng dây tời không đổi ở giá trị ban đầu. 4.5.4.2. Khảo sát chuyển động của liên hợp máy vượt qua mấp mô đơn trên dốc Khi vượt qua mấp mô đơn, LHM còn chịu tác động của lực và gia tốc theo phương tiếp tuyến với bánh xe. Tác động theo phương chuyển động khi vượt qua mấp mô đơn tạo nên một lực cản tiếp tuyến bổ sung tại bánh xe chủ động của máy kéo. Hình 4.19. Sơ đồ chuyển động của bánh xe vƣợt qua mấp mô đơn Về hình dạng hình học của mấp mô đơn, khi nghiên cứu về đường vận chuyển lâm nghiệp đã chọn dạng hình sin nửa chu kỳ: ̂ (4.5) Lực tiếp tuyến bổ sung được xác định theo công thức: 18