BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
ĐÀO HỮU ĐOÀN

NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG KÉO BÁM
CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG
XÍCH MÁY NÔNG NGHIỆP TỰ HÀNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
HÀ NỘI – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

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

Hà Nội, ngày 05 tháng 01 năm 2015
Tác giả luận án
Đào Hữu Đoàn ii
LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy
hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quế và PGS.TS. Nông Văn Vìn, Học viện
Nông Nghiệp Việt Nam đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ để tôi hoàn
thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy trong ban lãnh đạo, tập thể cán bộ

2 Mục tiêu nghiên cứu 3
3 Đối tượng nghiên cứu 3
4 Nhiệm vụ của luận án 3
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3
6 Những đóng góp mới của luận án 4
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6
1.1 Tính chất cơ lý của đất 6
1.1.1 Các tính chất vật lý của đất 6
1.1.2 Các tính chất cơ học của đất 8
1.2 Tổng quan về xích máy kéo nông nghiệp 11
1.2.1 Xích cứng 12
1.2.2 Xích mềm 12
1.3 Nghiên cứu trên thế giới về tính chất kéo bám của hệ thống di động xích 13
1.3.1 Phân bố ứng suất của đất dưới tải trọng xe 14
1.3.2 Ứng dụng của lý thuyết cân bằng dẻo đối với tương tác máy-đất 16
1.3.3 Phương pháp thực nghiệm xác định tính chất kéo bám của máy kéo xích 22
1.3.4 Xác định ứng suất và biến dạng của đất 24
1.3.5 Một số nghiên cứu về hệ thống di động xích mềm ở ngoài nước 30
1.4 Một số kết quả nghiên cứu về xe xích ở Việt Nam 33
1.5 Kết luận chương và nhiệm vụ của luận án 35

iv
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37
2.1 Nghiên cứu lý thuyết 37
2.1.1 Phương pháp mô hình hóa 37
2.1.2 Phương pháp xác định tính chất kéo bám máy kéo xích cứng 41
2.1.3 Phương pháp mô hình hóa xác định tính chất kéo bám của hệ thống
di động xích mềm 44
2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 50
2.2.1 Mục tiêu và nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm 50

3.6 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng đến
tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su 89

v
3.6.1 Ảnh hưởng của trọng lượng G 89
3.6.2 Ảnh hưởng của bề rộng dải xích B và chiều cao mấu xích h (B/h) 92
3.6.3 Ảnh hưởng của lực căng xích T
0
đến chất lượng kéo bám 94
3.6.4 Ảnh hưởng của khoảng cách bánh đè xích lp đến chất lượng kéo bám 97
3.7 Kết luận chương 3 100
Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 101
4.1 Đặt vấn đề 101
4.2 Xác định các thông số đầu vào cho mô hình nghiên cứu lý thuyết 101
4.2.1 Xác định các thông số của mô hình đất 101
4.2.2 Xác định các thông số kết cấu và kỹ thuật của máy kéo xích cao su 110
4.3 Nghiên cứu thực nghiệm tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su B2010 116
4.3.1 Mô hình thí nghiệm 116
4.3.2 Mô hình vật lý 117
4.3.3 Thiết bị đo 118
4.3.4 Thiết kế và chế tạo thiết bị lắp ráp dụng cụ đo mômen 121
4.3.5 Thiết bị chuyển đổi Analog – Digital (Card A/D) và phần mềm
DASYLab 125
4.4 Quy trình thí nghiệm 125
4.5 Kết quả thí nghiệm 126
4.6 Tính toán các số liệu thí nghiệm 128
4.6.1 Xác định các thành phần lực, mô men và độ trượt 128
4.6.2 Xử lý số liêu 130
4.6.3 So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết với kết quả nghiên cứu thực nghiệm 133
4.7 Kết luận chương 4 134


Góc lệch tâm của bánh trước Rad
ω
k
Vận tốc góc bánh sao chủ động Rad/s
δ
Độ trượt của dải xích so với nền đất %
θ
f

Góc tiếp xúc của bánh dẫn hướng Rad
θ
r

Góc tiếp xúc của bánh chủ động Rad
θ
t0

Góc nghiêng của xe Rad
a Hệ số biến dạng cắt phụ thuộc loại đất tương tác với xích 1/cm
2

c
0
Hệ số lún trượt phụ thuộc loại đất tương tác với xích cm
2c1
-
c2+1
/N
c1

m
gây ra kNm/s
F Lực kéo kN
F
ca
Lực bám dính của đất kN
F
d
Lực kéo ở móc kéo kN
F
max
Lực kéo cực đại kN
F
p
Phản lực của đất kN

vii

G Trọng lượng xe (Tải trọng pháp) kN
h Chiều cao vấu xích m
h
g
Chiều cao tọa độ trọng tâm xe m
j Khoảng trượt của mấu xích m
K Mô đun biến dạng cắt
k
1
Hệ số lún 1 phụ thuộc loại đất tương tác với xích -
k
2

MI Chỉ số di động
M
k
Mô men xoắn tác động lên bánh sao chủ động kNm
MMP Áp suất tối đa trung bình kPa
n
1
Hệ số mũ 1 lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích -
n
2
Hệ số mũ 2 lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích -
N
c
hệ số khả năng chịu lực Terzaghi c
N
q
hệ số khả năng chịu lực Terzaghi q
N
γ
hệ số khả năng chịu lực Terzaghi
γp Áp suất tiếp xúc dưới dải xích kPa
P
1
Lực chủ động tác động lên phần dưới của dải xích. kN
p
f
Áp suất tiếp xúc dẫn hướng, kPa

mb
Lực thành phần của P
k
tác dụng lên đỉnh mấu phần chính dải xích kN
P
msLực thành phần của P
k
tác dụng cạnh mấu phần chính dải xích kN
p
r
Áp suất bánh xích sau kPa
p
r0
Áp suất tiếp xúc tĩnh dưới điểm sau cùng của phần chính dải xích kPa
P
rb
Lực thành phần của P
k
tác dụng lên đỉnh mấu phần bánh sau kN
P
rs
Lực thành phần của P
k
tác dụng lên cạnh máu phần bánh dẫn hướng kN
P
s
Tác dụng theo chiều dọc theo hàng của bánh đè kN

Lượng lún tĩnh điểm đầu của dải xích tiếp xúc với đất m
s
r0
Lượng lún tĩnh điểm sau của dải xích tiếp xúc với đất m
s
s
Độ lún trượt của dải xích m
t Bước vấu xích m
T Lực căng xích kN
T
0
Lực căng xích ban đầu kN
V Vận tốc thực của xe m/s
V’ Vận tốc lý thuyết m/s
V
s
Vận tốc trượt của xe m/s
W’
ct
Lực phá hỏng do cắt cục bộ của dải xích kN

ix
W
c
Tải giới hạn theo đơn vị chiều dài N/m
W
c
’ Tải giới hạn cục bộ theo đơn vị chiều dài khi phá hoại cục bộ N/m
W
ct

và chiều dài trượt của mấu xích
tương ứng j khi G = 13000 N 103
4.5 Kết quả thí nghiệm đo độ lún trượt s
s
103
xi
DANH MỤC HÌNH

TT Tên hình Trang
1.1 a) Thiết bị đo độ chặt của đất , b) Đặc tính nén của đất 8

1.2 a) Sơ đồ thí nghiệm cắt đất trong hộp kín khi chưa tác động lực
kéo, b) Khi tác động lực kéo, c) Đặc tính cắt đất , 1− đối với đất
chặt; 2− đối với đất xốp 10

1.3 a) Sự phụ thuộc ứng suất tiếp vào biến dạng 1− đất chặt; 2− đất dẻo,
b) Sự phụ thuộc ứng suất tiếp giới hạn τ
δ
vào ứng suất pháp σ 10

1.4 Xích cao su khớp nối bản lề 12

1.5 Cấu tạo xích cao su dạng dai 13

1.6 Trạng thái của một vật liệu đàn hồi dẻo lý tưởng 15

1.7 a) Phân bố ứng suất thẳng đứng trong một môi trường đàn hồi bán

1.21 Đường cong cắt có một điểm cực đại và sự giảm ứng suất tiếp dư 29xii

1.22 Đường cong cắt có một đỉnh và ứng suất tiếp dư không đổi 30

1.23 So sánh đo hiệu suất lực kéo móc kéo của xe xích M113 và dự báo
dùng phương pháp hỗ trợ máy tính trên đất hữu cơ (lầy) 32

2.1 Mô hình tính lực chủ động và độ trượt tại điểm bất kỳ của dải xich
cứng tiếp xúc với đất 42

2.2 Hình của một hệ thống xích mềm khi tiếp xúc với đất biến dạng 45

2.3 Vận tốc trượt của một điểm trên một xích mềm trong vùng tiếp xúc
với xích biến dạng 46

2.4 Quan hệ giữa cản cắt và biến dạng cắt, (a) Loại hàm số mũ (Loại A),
(b) Loại dốc gù (loại B) 53

2.5 Sơ đồ thí nghiệm kéo tấm xích mẫu 54

2.6 Hình vẽ mô tả quá trình xảy ra lún trượt s
s
55

2.7 Sơ đồ cấu tạo của xuyên nón kế 56

2.8 Thí nghiệm kéo xích xe bị khóa với thân xe 57

3.8 Sự thay đổi: a) độ lún của đất s
0i
, b) áp suất tiếp xúc p
i
theo chiều
dài nhánh xích tiếp đất 85

3.9 Ảnh hưởng của độ trượt đến: a) các thành phần lực, b) các thành
phần công suất 86

3.10 Ảnh hưởng của độ trượt đến hiệu suất kéo η
k
87xiii

3.11 a) Lực căng xích T theo chiều dài tiếp xúc X, b) Lực căng xích T
tại điểm C theo độ trượt δ% 88

3.12 a) Diễn biến độ lún s
0i
, b) biến thiên áp suất tiếp xúc p
i
tương ứng
ba mức trọng lượng xe G 90

3.13 a) Các đường biểu diễn lực đẩy P
k
, và lực kéo có ích P

, b) các đường biểu diễn áp suất tiếp
xúc p
i
tương ứng ba trường hợp lực căng xích ban đầu T
0
khác nhau 95

3.19 Các đường biểu diễn lực đẩy P
k
, và lực kéo có ích P
m
tương ứng ba
trường hợp lực căng xích ban đầu T
0
khác nhau 96

3.20 a) Các đường biểu diễn công suất E
1
, E
2
, E
3
, E
4
, b) hiệu suất η
k

tương ứng ba trường hợp lực căng xích ban đầu T
0
khác nhau 97

tương ứng ba trường khoảng cách giữa hai bánh đè xích liền kề l
p

khác nhau 99

4.1 Sơ đồ đo lực kéo P
k
khi xích của xe bị khóa và chiều dài trượt của
mấu xích tương ứng j 102

4.2 Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm lún khí s<=3 cm 105xiv

4.3 Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm lún khí s >3 cm 106

4.4 Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm kéo xích bị khóa (1- Đường cong
1 A= 0, 853; 2- Đường cong 2 A
2
=0,9448) 108

4.5 Sơ đồ cân lần 1 được P
1
111

4.6 Sơ đồ cân lần 2 được P
2
112



4.21 Ảnh hưởng của lực kéo đến độ trượt và hiệu suất kéo của bộ phận
di động xích (G= 11530 N; thí nghiêm TN-03 trên đất ruộng) 131

4.22 Ảnh hưởng của độ trượt đến hiệu suất kéo của bộ phận di động xích
(G= 11530 N; thí nghiệm TN-03 trên đất ruộng) 132

4.23 So sánh hiệu suất kéo của bộ phận di động xích (G= 11530 N) khi
mô phỏng bằng lý thuyết và khi xác định bằng thực nghiệm trên
đồng ruộng 134 1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong sản xuất nông nghiệp, máy kéo là nguồn động lực chính để thực
hiện việc các công việc nặng nhọc đòi hỏi chi phí công lao động cao như làm đất,
thu hoạch v.v… ngoài ra máy kéo còn thực hiện việc vận chuyển hầu hết các sản
phẩm nông nghiệp, giống cây trồng, phân bón, và các vật liệu khác trong nông
nghiệp nông thôn. Vì vậy để công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông nghiệp nông
thôn, máy kéo xích nòi riêng và máy kéo nói chung đóng một vai trò hết sức
quan trọng và không thể thiếu trong nền sản xuất lớn mang tính công nghiệp.
Dựa vào kết cấu hệ thống di động, máy kéo gồm hai loại chính là máy kéo
bánh và máy kéo xích. Mỗi loại đều có những ưu nhược điểm riêng khi chúng
được sử dụng trên một loại đất cụ thể.
Máy kéo xích nhờ khả năng kéo bám tốt và áp lực riêng trên đất nhỏ hơn

máy kéo nhỏ có công suất từ 12-45 mã lực do Trung Quốc và Nhật Bản sản xuất.
Diện tích trồng cây lúa nước có độ ẩm cao và nền đất yếu, có một số nơi lúa được
trồng trên đất bùn độ ngập nước sâu, việc canh tác và thu hoạch gặp nhiều khó
khăn (Trịnh Ngọc Vĩnh, 1988 và 1991; Trịnh Ngọc Vĩnh và cs., 1990).
Đặc điểm lớn thứ hai là cơ cấu cây trồng rất đa dạng với các yêu cầu về cơ
giới hoá cũng rất khác nhau, tính quy hoạch đồng ruộng còn rất thấp. Điều đó dẫn
đến việc cần phải có các nghiên cứu xác đáng về hệ di động của máy kéo khi làm
việc trên đất nền yếu hoặc lầy thụt để thiết kế, chế tạo và đưa ra thị trường các loại
máy kéo xích phục vụ việc canh tác nông nghiệp phù hợp (Nguyễn Điền,
1984a,1984b và 1988; Bùi Thanh Hải, 1995; Triệu Anh Tuấn và cs., 2009).
Hội nghị Trung ương lần thứ 7 (Khoá X) cũng đã nhấn mạnh: tăng cường
thực hiện cơ khí hoá các khâu sản xuất nông nghiệp, trước hết là các khâu sản
xuất quan trọng, đến năm 2015 cơ giới hoá khâu làm đất đạt 90% và đến năm
2020 phải đạt 100%; cơ giới hoá khâu gieo cấy đạt từ 25- 50%; thu hoạch từ 50-
80%; trang bị nguồn động lực cho nông nghiệp phải tăng từ 1,5- 2,5 mã lực/ha
(Chính Phủ, 2002; Phạm Văn Lang, 2009).
Hiện nay và trong trung hạn, dài hạn ở Việt Nam máy kéo là nguồn động
lực chính để thực hiện các khâu canh tác trong sản xuất nông nghiệp. Do vậy đòi
hỏi các loại máy kéo dùng cho các vùng trung du, đồi núi, cũng như đồng rộng
phân tán nhỏ lẻ ở đồng bằng cần phải có tính ổn định cao, có tính năng kéo bám
tốt và hiệu suất kéo cao. Máy kéo xích cao su đang được sử dụng rộng rãi ở Việt
3
Nam nhưng những nghiên cứu về tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su ở
trong nước còn rất ít, chưa toàn diện, đồng bộ và đầy đủ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng chương trình tính toán xác định tính chất kéo bám của máy kéo
xích cao su, cho phép khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng

dù quan hệ đất-máy, đặc biệt là quan hệ giữa hệ thống di động xích cao su với đất
nông nghiệp có độ ẩm cao là mối quan hệ hết sức phức tạp, việc xác định được tính
chất kéo bám của hệ thống di động xích cao su bằng lý thuyết và thực nghiệm góp
phần hết sức quan trọng trong việc tính toán thiết kế máy kéo mới ở trong nước.
Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng vào việc hoàn thiện tính toán thiết
kế và chế tạo máy kéo xích cao su công suất 30 mã lực, thuộc dự án sản xuất thử
nghiệm cấp Bộ mã số B2013-11-04DA giai đoạn 2013-2014.
Phương pháp nghiên cứu, nội dung và đối tượng nghiên cứu được thực
hiện hoàn toàn ở điều kiện Việt Nam, phương pháp nghiên cứu cũng như chương
trình mô phỏng tính chất kéo bám của máy xích cao su bằng phần mềm lập trình
trên Matlab của luận án còn có thể được sử dụng để kiểm tra tính chất kéo bám
của các loại máy kéo xích nhập ngoại về tính phù hợp với điều kiện đất đai, khí
hậu và tập quán canh tác trong nước.
Luận án cũng là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các chuyên gia làm
công tác trong lĩnh vực cơ khí nông nghiệp, làm tài liệu học tập và giảng dậy
trong lĩnh vực đạo tạo ở các trường cao đẳng, đại học có chuyên ngành liên quan.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng được mô hình tương tác giữa hệ thống di động xích cao su với
đất nông nghiệp Việt Nam trên cơ sở ứng dụng và phát triển mô hình lý thuyết về
xích cứng của (Beker, 1969), xích mềm (xích kim loại bước ngắn) của (Wong,
2001); (Muro and O’Brien, 2004). Từ mô hình vật lý đã xây dựng mô hình toán
từ đó ứng dụng các phương pháp giải hiện đại, nhờ hỗ trợ của máy tính kỹ thuật
số, xác định được các tính chất kéo bám của hệ thống di động xích cao su.
- Xây dựng được mô hình nghiên cứu thực nghiệm, chế tạo và hoàn thiện mô
hình, ứng dụng các thiết bị đo hiện đại và hợp lý, tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
để xác định một số thông số cho mô hình toán cũng như xác định được tính chất
kéo bám của máy kéo xích cao su, từ đó sử dụng một vài tính chất kéo bám của
đặc tính khảo nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy và đúng đắn của mô hình toán.
- Tỉ trọng thể tích tự nhiên.
3
Q
kN / m
V
γ =
(1.1)
γ -Tỉ trọng thể tích của đát tự nhiên thường vào khoảng 12-20 kN/m
3
Q -Trọng lượng đất tự nhiên (kN), V -Thể tích đất tự nhiên (m
3
)
- Trọng lượng thể tích no nước.
Đó là trạng thái mà các lỗ rỗng đều được lấp đầy bởi nước. Đất chỉ còn hai
thành phần là hạt và nước.
3
sr
sr
Q Q Q'
kN / m
V V
ω
+
γ = =
(1.2)
Trong đó Q
sr
là trọng lượng đất no nước, Q’
ω
là trọng lượng nước lấp đầy

tích đất.
3
s
d
Q
, kN / m
V
γ =
(1.4)
Có thể thấy rằng đối với cùng một loại đất: γ
sr
> γ > γ
d
> γ
dn

- Trọng lượng riêng hạt.
Trọng lượng riêng hạt γ
s
là trọng lượng của một đơn vị thể tích hạt (không
có lỗ rỗng).
3
s
s
s
Q
, kN / m
V
γ =
(1.5)

n
e
(1 n)
=
−

Đất có độ rỗng càng lớn thì cường độ chịu lực càng nhỏ và biến dạng
càng lớn.
Vì vậy khi nghiên cứu chỉ tiêu độ rỗng ta cũng có thể sơ bộ biết tính chất đất
8
e<0,50 Độ rỗng nhỏ
e=0,50 - 0,70 Độ rỗng thường gặp
e>0,70 Độ rỗng lớn, đất yếu
c) Độ ẩm và độ bão hòa nước của đất.
- Độ ẩm của đất w còn gọi là hàm lượng nước, đó là tỷ số giữa trọng
lượng nước Q
w
ở trong mẫu đất với trọng lượng phần hạt của mẫu Q
s
.

w
S
Q
w 100%
Q
=

S
s
N
h
S
N
=
σ
h
σ
σ
max
0
h
*

I

II

II
0
σ

a)
b)
9


+=
ϕ
σ
0
(1.11)
Trong đó: k
0
là hệ số bám, N/m
1+n
; b − đường kính đầu đo, m;
ϕ
k
− hệ số
ma sát trong của đất, N/m
2+n
; n − chỉ số mũ; h- độ biến dạng của đất, m.
Theo Kasưghin (1969) đường cong nén đất được mô tả theo hàm tang
hipebolic sẽ phù hợp với thực tế hơn, cụ thể ông đã đề xuất công thức.
h
k
th
0
0
σ
σσ
=
(1.12)
Trong đó: σ
0