BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
NGUYỄN CÔNG THUẬT
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG
TRÊN MÁY KÉO NHỎ 4 BÁNH
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
HÀ NỘI – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã đƣợc
cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận án Nguyễn Công Thuật ii
LỜI CẢM ƠN
Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy
hƣớng dẫn: PGS.TS. Bùi Hải Triều, TS. Bùi Việt Đức – Bộ môn Động lực, khoa
Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, đã tận tình động viên, chỉ bảo, hƣớng
dẫn và giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo Bộ môn Động lực,
Khoa Cơ điện, Ban Quản lý đào tạo, Ban lãnh đạo Học viện Nông nghiệp Việt
Nam đã giúp đỡ về chuyên môn cũng nhƣ tạo điều kiện cho tôi trong quá trình
thực hiện luận án.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu và tập thể cán bộ Khoa Ô tô
Trƣờng Đại học Công nghiệp Việt - Hung đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá
trình triển khai thí nghiệm, thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và
ngoài cơ quan và ngƣời thân đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi
hoàn thành bản luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận án
1.3.1 Các nghiên cứu về máy kéo với truyền lực vô cấp 18
1.3.2 Các nghiên cứu về điều khiển truyền động vô cấp 24
1.4 Ứng dụng truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ sản xuất
tại Việt Nam 28
Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31
2.1 Phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng 31
iv
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 36
2.2.1 Phƣơng pháp đo các đại lƣợng không điện 37
2.2.2 Phƣơng pháp điều khiển tỷ số truyền 39
2.2.3 Phƣơng pháp tạo tải 46
2.2.4 Phƣơng pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm 47
Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN
BÁNH VỚI HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 48
3.1 Phác thảo sơ đồ truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh 48
3.2 Xây dựng mô hình các hệ thống thành phần 49
3.2.1 Mô hình động cơ máy kéo 49
3.2.2 Mô hình truyền lực vô cấp phân tầng 50
3.2.3 Mô hình hộp số- truyền lực chính và cuối 80
3.2.4 Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp 81
3.2.5 Mô hình máy nông nghiệp 82
3.2.6 Phần tử điều khiển (ECU) và cảm biến 83
3.2.7 Kết nối mô hình mô phỏng và thử nghiệm mô hình 84
Chƣơng 4 PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN CỦA MÁY KÉO TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 92
4.1 Lựa chọn máy nông nghiệp đi kèm 92
4.2 Ảnh hƣởng của vị trí lắp cảm biến tải trọng đến tính chất điều khiển
tỷ số truyền của CVT 94
4.3 Ảnh hƣởng của hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền đến tính
Diện tích tác động của xi lanh tác động một chiều
[mm
2
]
A
1
Diện tích tác động khoang 1của xi lanh hai chiều
[mm
2
]
A
2
Diện tích tác động khoang 2của xi lanh hai chiều
[mm
2
]
b
Bề rộng vành đai CVT
[mm]
b
x
Hệ số giảm chấn Shafai
[mm/N]
C
lx
Độ cứng của lò xo
[N/mm]
d
Đƣờng kính con trƣợt điều khiển van thủy lực
[N]
F
2
Lực căng của nhánh đai bị động CVT
[N]
F
ax1
Lực ép bánh đai chủ động
[N]
F
ax2
Lực ép bánh đai bị động
[N]
F
c
Lực cản máy nông nghiệp
[N]
F
l
Lực cản lăn
[N]
F
lx
Lực ép của lò xo
[N]
F
lx0
Lực ép ban đầu của lò xo
[N]
F
[-]
i
t
Tỷ số truyền hệ thống truyền lực
[-]
J
Mô-men quán tính máy kéo quy dẫn bánh xe chủ động
[kgm
2
]
J
1
Mô-men quán tính CVT chủ động
[kgm
2
]
J
2
Mô-men quán tính CVT bị động
[kgm
2
]
k
Hệ số hồi quy
[-]
k
DR
Hệ số lƣu lƣợng qua van
[
)/(
Mô-men kéo của máy kéo
[Nm]
n
e
Số vòng quay động cơ
[min
-1
]
p
Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh một chiều
[N/m
2
]
p
1
Áp suất dầu thủy lực khoang 1 xi lanh hai chiều
[N/m
2
]
p
1
Áp suất dầu thủy lực khoang 2 xi lanh hai chiều
[N/m
2
]
P
DQ
Áp suất dầu thủy lực
[N/m
2
Q
1a
Lƣu lƣợng từ van về thùng qua mép điều khiển 1
[mm
3
/s]
Q
2a
Lƣu lƣợng từ van về thùng qua mép điều khiển 2
[mm
3
/s]
viii
r
Bán kính bánh đai
[mm]
R
Bán kính bánh xe máy kéo
[mm]
t
Thời gian khảo sát
[s]
U
Điện áp điều khiển
[V]
U
ist
Điện áp chuyển đổi
[V]
Hành trình điều khiển piston
[mm]
α
Góc nghiêng bánh đai
[°]
β
Góc nghiêng dây đai
[°]
γ
Góc giữa đƣờng tâm của dây đai và hƣớng lực ma sát
[°]
δ
d
Độ trƣợt đai
[%]
δ
m
Độ trƣợt bánh xe máy kéo
[%]
ξ
Hệ số Shafai
[-]
υ
Modun đàn hồi của chất lỏng
[mm
2
/N]
φ
Góc ôm của dây đai trên bánh đai
[°]
Diễn giải
MNN
Máy nông nghiệp
LHM
Liên hợp máy
CVT
Truyền động vô cấp
PIV
Thay đổi vô cấp chủ động
PID
Thuật toán vi tích phân tỷ lệ
(Proportional Integral Derivative)
LQG / LTR
Thuật toán điều khiển bền vững
(Linear Quadratic Gaussian/ loop transfer recovery)
TĐĐ
Truyền động điện
TĐTT
Truyền động thủy tĩnh
TĐTĐ
Truyền động thủy động x
DANH MỤC BẢNG
TT
Tên bảng
Trang
1.1 Đánh giá các loại truyền động 16
1.12 Truyền động đai bản rộng vô cấp 15
1.13 Đánh giá các dạng truyền động vô cấp 16
1.14 Bộ truyền động loại ZF / P.I.V. ASL8 Reimers 19
1.15 Bộ truyền loại ZF / P.I.V. Reimers ASL 210 20
1.16 Bộ truyền loại ZF / P.I.V. Reimers ASL 218 20
1.17 Bộ truyền động loại ZF / P.I.V. Reimers T 518 21
1.18 Hệ thống truyền lực cho máy kéo do Viện Khoa học Nông nghiệp
của Đại học Munich phát triển 22
1.20 Máy kéo nhỏ với hệ thống truyền lực vô cấp phân tầng 24
1.21 Truyền lực vô cấp trên xe máy 25
1.22 Hệ thống điều khiển thủy lực với van tùy động 27
1.23 Hệ thống VVT-I sử dụng mạch điều khiển hai vị trí 28
2.1 Quá trình nghiên cứu bằng phƣơng pháp mô phỏng 36
2.2 Encoder HE40B-6-300-N 38
2.3 Cảm biến áp suất HB40T510 39
2.4 Sơ đồ hệ thống thủy lực điều khiển tỷ số truyền CVT 40
2.5 Tính chất điều khiển và đặc tính lƣu lƣợng của van 40
xii
2.6 Van tiết lƣu và đặc tính lƣu lƣợng của van 41
2.7 Sơ đồ cấu trúc của EasyDAQ U1001 42
2.8 Sơ đồ chƣơng trình kết nối với card điều khiển 43
2.9 Chƣơng trình kết nối với card điều khiển 44
2.10 Sơ đồ khối của chƣơng trình 45
2.11 Chƣơng trình thu thập, xử lí và điều khiển tỷ số truyền 45
2.12 Sơ đồ hệ thống tạo tải bằng thủy lực 46
2.13 Đặc tính mô men của bơm 47
3.1 Sơ đồ truyền công suất của LHM kéo nhỏ 48
3.2 Đặc tính ngoài động cơ D12 50
3.3 Bộ truyền động vô cấp đai đai thang bản rộng 51
3.31 Kết quả khảo sát mô hình điều khiển tự động bằng van đóng ngắt 80
3.32 Đặc tính kéo bám của bánh xe YM-3000 81
3.33 Lực cản cày trụ 82
3.34 Lực cản cày chảo 83
3.35 Sơ đồ điều khiển ECU 83
3.36 Mô hình mô phỏng động lực học LHM cày với máy kéo truyền lực
vô cấp phân tầng 84
3.37 Xung điều khiển dƣơng (cấp dầu vào xi lanh- giảm tỷ số truyền ) 85
3.38 Xung điều khiển âm (xả dầu – tăng tỷ số truyền ) 86
3.39 Kết quả khảo sát tăng tải trọng dạng bậc 87
3.40 Kết quả khảo sát giảm tải trọng dạng bậc 88
3.41 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa (ω=1rad/s) 89
3.42 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa(ω=3rad/s) 89
3.43 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa (ω=8 rad/s) 90
4.1 Mô hình khảo sát ảnh hƣởng vị trí lắp cảm biến tải đến tính chất
điều khiển tỷ số truyền CVT máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng 95
4.2 Kết quả khảo sát với tải trọng tăng đột ngột 96
4.3 Kết quả khảo sát với tải trọng giảm đột ngột 97
4.4 Mô hình tổng quát mô phỏng trong Matlab-Simulink 98
4.5 Khảo sát với lực cản cày trụ biến động với biên độ nhỏ 99
4.6 Khảo sát với lực cản cày trụ biến động với biên độ lớn 100
xiv
4.7 Khảo sát với lực cản cày giảm do đi vào vùng đất mền 101
4.8 Khảo sát với lực cản cày tăng do đi vào vùng đất cứng 102
4.9 Khảo sát với lực cản cày chảo biến động với biên độ nhỏ 103
4.10 Khảo sát với lực cản cày chảo biến động với biên độ lớn 104
4.11 Khảo sát với lực cản cày chảo tăng do đi vào vùng đất cứng 105
4.12 Khảo sát với lực cản cày chảo giảm do đi vào vùng đất mền 106
4.13 Tần suất xuất hiện giá trị lực cản cày trụ (hai thân) 107
Để hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng thay đổi phức tạp trong
dải rộng, máy kéo nhỏ cần đƣợc trang bị hộp số có nhiều cấp số truyền đảm bảo
máy kéo làm việc tốt trong canh tác cũng nhƣ trong vận chuyển. Một trong
những phƣơng án tối ƣu là trang bị cho máy kéo hệ thống truyền lực vô cấp đảm
bảo cho tỷ số truyền thay đổi liên tục trên toàn bộ dải tốc độ.
Truyền động vô cấp trên các máy nông nghiệp tự hành và máy kéo đã
đƣợc phát triển trên thế giới từ vài thập kỷ gần đây. Đối với các máy kéo lớn, hệ
thống truyền động vô cấp ƣu tiên sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh,
hiệu suất tốt nhất của của truyền động này chỉ hơn 90% (Hagedorn, 1974). Mặt
khác tuyền động vô cấp sử dụng các thành phần thủy lực làm việc với áp suất cao
và do đó chi phí đầu tƣ lớn. Do các nguyên nhân về chi phí chế tạo, trọng lƣợng
và hiệu suất nên việc sử dụng hộp số thủy tĩnh trên các máy kéo công suất nhỏ là
không phù hợp (Kirste, 1988).
Máy kéo có công suất dƣới 20 kW đƣợc sử dụng ở Việt Nam hiện nay với
số lƣợng lớn. Do điều kiện canh tác, cơ cấu cây trồng, máy kéo nhỏ trong tƣơng
lai vẫn có tầm quan trọng lớn trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam. Máy
kéo có hệ thống truyền lực thông thƣờng không còn đáp ứng các yêu cầu hoạt
động ngày càng cao về chất lƣợng hoạt động. Do đó, cần có giải pháp nhằm cải
tiến hệ thống truyền lực đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nhƣng chi phí đầu tƣ phù
hợp với điều kiện kinh tế của nông dân Việt Nam (Viet Duc Bui, 2007).
Các loại máy kéo công suất nhỏ đƣợc sử dụng trong sản xuất nông nghiệp
sử dụng bộ truyền vô cấp đai thang là phù hợp hơn, với ƣu điểm: kết cấu đơn
2
giản, hệ số ma sát cao, lực ép nhỏ, dễ chăm sóc kỹ thuật nên chi phí sản xuất và
vận hành nhỏ (Hofmann, 2000). Mặc dù bộ truyền động vô cấp đai thang có
những lợi thế này nhƣng chúng chƣa đƣợc nghiên cứu sâu và ứng dụng vào máy
kéo nhỏ trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp của Việt Nam.
Điều khiển chính xác tỷ số truyền của truyền động vô cấp theo mục tiêu
mong muốn (độ nhạy, độ trễ và tính kinh tế ) là rất phức tạp, hệ thống điều
theo tải trọng nhằm kiểm định kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng.
4. Mục tiêu của luận án
Lựa chọn phƣơng án và xây dựng hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền
bộ truyền động đai vô cấp đáp ứng yêu cầu giữ điểm làm việc của LHM tại vùng
làm việc có lợi nhất trên đặc tính của động cơ, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật.
5. Đối tƣợng nghiên cứu
Bộ truyền động vô cấp đai thang cho máy kéo bốn bánh có công suất nhỏ
sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam.
6. Giới hạn nghiên cứu
Tính chất truyền động và điều khiển bộ truyền động vô cấp đƣợc nghiên
cứu bằng phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng; thí nghiệm kiểm chứng đƣợc
thực hiện trong phòng thí nghiệm trên cơ sở chế tạo thiết bị thí nghiệm tự động
điều khiển tỷ số truyền theo tải trọng, tải trọng đƣợc tạo bằng cách thay đổi áp
suất trong hệ thống thủy lực phụ tải; phần điều khiển điện tử của thiết bị đƣợc
đơn giản hóa theo mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Thời gian nghiên cứu: từ tháng 5 năm 2011 đến tháng 5 năm 2014
7. Đóng góp mới của luận án
Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học máy kéo truyền lực vô cấp phân
tầng liên hợp với máy nông nghiệp mô tả đầy đủ về kết cấu, hoạt động và tác động
qua lại giữa các phần tử Máy kéo – Máy cày – Đất canh tác. Mô hình có thể đƣợc
sử dụng để khảo sát linh hoạt hệ thống theo các điều kiện thay đổi tải trọng và mức
ga để đánh giá tính chất điều khiển và truyền động của LHM.
Thiết bị thí nghiệm đƣợc thiết kế chế tạo từ luận án sử dụng các phƣơng
pháp đo, thu nhận số liệu, xử lý và điều khiển hiện đại có thể thử nghiệm tốt các
phƣơng án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát các phƣơng án thay đổi tải, đƣợc
sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây
4
dựng chƣơng trình điều khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô
cấp phân tầng.
máy kéo và giao cho Bộ công nghiệp nặng tổ chức nghiên cứu thiết kế, chế tạo
thử máy kéo. Tính đến nay, ngành cơ khí nƣớc ta đã hơn 15 lần tiến hành tổ chức
nghiên cứu chế thử máy kéo 4 bánh (chủ yếu là chế tạo chép mẫu) nhƣng vẫn
chƣa thu đƣợc kết quả mong muốn. Duy nhất chỉ có loại máy kéo đẩy tay Bông
sen 12 đƣợc chế tạo hàng loạt với số lƣợng lớn, tuy nhiên theo đánh giá của
nhiều chuyên gia thì công nghệ chế tạo ra loại máy kéo 2 bánh đơn giản này khác
6
hẳn và thấp hơn nhiều công nghệ chế tạo máy kéo 4 bánh (Phạm Văn Lang, 1996).
Các máy kéo nhỏ có hệ thống di động phù hợp có thể hoạt động hiệu quả
trên đất khác nhau. Trong sản xuất nông nghiệp chúng đƣợc sử dụng cho các
nhiệm vụ khác nhau nhƣ canh tác, thu hoạch và vận chuyển. Hầu hết các máy
kéo nhỏ sử dụng ở Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản.
Hình 1.1. Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS12
Nguồn: VEAM, 2013
Trên hình 1.1 và 1.2 thể hiện sơ đồ máy kéo nhỏ hai bánh BS12 và BS165
do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) sản
xuất có các đặc điểm cơ bản sau:
- Động cơ diesel bốn kỳ, một xi-lanh có công suất 12kW (16,5 mã lực).
- Truyền động đai thang từ động cơ xuống hộp số với tỷ số truyền i = 1,68.
- Hộp số cơ khí với 6 số tiến và 2 số lùi.
- Li hợp nằm ở puly bị động của truyền động đai. Sử dụng hai li hợp lái
trên đƣờng truyền lực cuối thay cho bộ vi sai.
9,2kW(12ML)
2200v/p
45Nm
Truyền động
đai(i=1,68)
Phanh
- Ô nhiễm môi trƣờng
Ngành công nghiệp máy kéo Việt Nam vẫn đang trong giai đoạn ban
đầu của sản xuất các hệ thống máy đơn giản. Trong tƣơng lai định hƣớng sản
xuất đủ nhu cầu trong nƣớc về máy kéo hai bánh với 6, 8 và 12 mã lực và sản
xuất máy kéo bốn bánh đầu tiên với 18, 20, 25 và 30 mã lực. Gần đây Tổng
12,7kW(16,5ML)
2200v/p
55,2Nm
Truyền động
đai(i=1,68)
Phanh
Bánh đai
chủ động
Bánh đai bị động
và li hợp
Tốc độ ứng với số
truyền
Số tiến
I: 1,98 km/h
II: 3,5
III: 5,9
IV: 7,3
V: 13,0
VI: 21,8
Số lùi
RI: 1,56 km/h
RII: 5,78 8
các nƣớc công nghiệp khác. Do vậy, nghiên cứu và sản xuất máy kéo phù hợp
với các điều kiện trong nƣớc là thực sự cần thiết đáp ứng mục tiêu cơ giới hóa
nông nghiệp ở Nƣớc ta.
1.2. Tổng quan về truyền động vô cấp trên máy kéo
1.2.1. Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp
Để kết nối, truyền và biến đổi chuyển động từ động cơ đến bộ phận di
động, hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng rất phổ biến các dạng truyền
động vô cấp (CVT) trong hệ thống truyền lực của máy kéo. Thực tế sử dụng cho
thấy CVT có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với truyền động có cấp (Beuk, 1997).
Hình 1.4. Phân loại truyền động vô cấp
Nguồn: Zsolt et al., 2003
TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP
TĐ THỦY LỰC
TĐ ĐIỆN
TĐ CƠ KHÍ
THỦY TĨNH
THỦY ĐỘNG
ĐĨA MA SÁT
BAO VÒNG
Đ. BẢN RỘNG
ĐAI XÍCH
ĐAI KIM LOẠI
Copyright: Tài liệu đại học ©