BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH

-------------------------

PHẠM THỊ THU HẰNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
ĐẾN TÍNH ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐẤT
DỐC CỦA LIÊN HỢP MÁY KÉO XÍCH CAO SU

TẮT TÓM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Mã số: 62.52.01.03

HÀ NỘI – 2017


Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH

CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
ĐÃ CÔNG BỐ
1. Phạm Thị Thu Hằng, Nguyễn Ngọc Quế, Lê Trung Dũng (2015), “Xây dựng
mô hình tính toán lý thuyết khảo sát động lực học của máy kéo xích cao

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quế
PGS.TS. Lê Trung Dũng

đáp ứng được yêu cầu của người dân do đó đa số bà con còn nối canh tác thủ
công, cho nên đời sống bà con còn thấp. Do vậy để đáp ứng yêu cầu cơ giới hóa
vùng đất dốc một mặt nâng cao kinh tế, hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu và an toàn
cho người lao động mặt khác giá thành chế tạo rẻ phù hợp hơn cho người lao
động Việt Nam.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên, đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của
một số thông số đến tính ổn định hướng chuyển động trên đất dốc của liên hợp
máy kéo xích cao su” là rất cần thiết cho cơ giới hóa đất đồi dốc ở nước ta và là
một hướng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao.
Mục tiêu của luận án : nghiên cứu động lực học chuyển động của liên hợp máy
kéo xích cao su làm việc trên đất dốc, làm cơ sở khảo sát ảnh hưởng của một số
thông số kết cấu và sử dụng đến quỹ đạo chuyển động và chất lượng làm việc
của liên hợp máy (LHM) trong điều kiện sản xuất nông lâm nghiệp.
Nhiệm vụ của luận án: Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu xây dựng mô hình
động lực học quá trình chuyển động của LHM, có tính đến đặc tính động cơ,
đường truyền lực và quan hệ phay- đất đến máy nông nghiệp. Mô hình có thể
được mô phỏng bằng toán học và giải trên phần mềm hiện đại của máy tính,
nhằm tăng khả năng khảo sát nhiều phương án, rút ngắn thời gian cũng như chi
phí nghiên cứu.
Do quan hệ đất máy (xích- đất, phay-đất) là quan hệ rất phức tạp nó phụ
thuộc vào rất nhiều các yếu tố ngẫu nhiên vì vậy luận án cần phải nghiên cứu
thực nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho mô hình nghiên cứu lý thuyết,
đồng thời xác định quỹ đạo chuyển động của LHM để khẳng định độ tin cậy của
mô hình toán đã thiết lập.
Những đóng góp mới của đề tài luận án
Mô hình được xây dựng trong luận án đã mô tả khá đầy đủ tính chất
chuyển động của LHM khi làm việc trên đất dốc. Trong mô hình đã tích hợp
tương tác giữa động cơ, hệ thống truyền lực, dải xích, đất và máy nông nghiệp.
Luận án đã tiến hành nghiên cứu đặc trưng làm việc của phay đất, tương
tác giữa phay và đất, máy công tác với máy kéo xích thông qua hàm mô men lực

- Sự ổn định hướng của máy kéo và máy công tác là một yêu cầu cần thiết nó
giúp đi đúng hướng mà người lái mong muốn, không ảnh hưởng đến cây
trồng xung quanh, tiêu hao nhiên liệu ít, chất lượng làm việc ổn định, giảm
căng thẳng cho người lái….Sự ổn định hướng phụ thuộc vào các thông số kết
cấu và điều kiện sử dụng.
- Đất trồng trên vùng trung du miền núi phía Bắc có độ dốc trên 10o, thành phần
chủ yếu là sét do đó việc làm đất bằng biện pháp cơ giới mang lại năng suất và
hiệu quả cao hơn, nhưng độ dốc hiện trường làm giảm khả năng ổn định ngang,
gây khó khăn trong việc sản xuất.

2


- Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trong cơ giới hóa khâu làm đất và những tồn tại trong
nghiên cứu ổn định ngang của máy kéo trên đất dốc, nội dung đề tài đặt ra nghiên cứu
ảnh hưởng của một số thông số đến khả năng làm việc trên đất dốc của liên hợp máy
kéo xích cao su trong đó nghiên cứu khả năng ổn định hướng là chủ yếu; đề tài có sử
dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp kiểm chứng bằng thực nghiệm.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA MÁY PHAY
VÀ ĐẤT KHI LIÊN HỢP VỚI MÁY KÉO
2.1 Lực của đất tác dụng vào phay
2.1.1 Chỉ số động học λ
Chỉ số động học λ ảnh hưởng trực tiếp đến yêu cầu nông học của đất. Cụ
thể nếu λ1 thì đất mới bắt đầu bị cắt vì vận tốc phay lớn hơn vận tốc máy (hình 2.1).
Vp
R
(2.1)

z

Vm

ω
R

x

φ

hc

T

 1

2 R

C

C’

 1

hc

S

lưỡi cắt 1

k

(2.4)

4k 2
( k 2  1) 2





φ1=  t1  arccos(1  2k1 )
2

;

1
(  1) 2



2.1.3. Xác định lực và mô men cản của phay
Lực cắt tổng P là lực tổng hợp gồm hai thành phần là lực pháp tuyến Fn và
lực tiếp tuyến Ft. Khi biểu diễn lực P lên hai phương đứng oz là P1z và phương
ngang ox là P1x (hình 2.4):
Lực tác dụng tổng lên trống phay theo hai phương ox và oz là:
(2.5)
P  Zlv (F .cos - F .cos(   ))
1 x


A

R31x D

Vm

R13x

R 31z

(4)

lt

R42z

(3)

ζ

φ φk

R

b1
P1z

C

P


z

Hình 2.4. Các lực tác dụng lên lưỡi phay
Mô men cản và công suất của phay là:

D

ld
R 23x R 32z

b2

Ft

z

Pm
B

C

x

x

PΣ1z

Hình 2.6: Sơ đồ cân bằng lực và mô men của cơ cấu treo
Tách các khâu tại các khớp sau đó đặt các phản lực liên kết vào các khớp


A

M

x





C2

c2
R42x



c1

Pm

B1
A

B2

R 42x

R32x C

Hình 2.7 Sơ đồ tính giá trị lực Pm
phụ
thuộc vào rất nhiều thông số như tính chất đất, chiều sâu
 P1x
Pm  R412  R422  2 R41 R42 c os(   )

6

(2.10)


2.3 Ảnh hưởng lực đẩy của máy phay lên máy kéo khi LHM làm việc trên
đất dốc ngang
a) Xét trường hợp phay lắp cân
y

Pft

Yt

Mcp
Gsinβsinψ

Gpsinβsinψ

Pf
Pm cosγ

Y


Pft

Yt
Mcp
Gpsinβsinψ

a

Pf
Y

Pm cosγ

Pfd

Lp

Gsinβsinψ

d

Gpsinβcosψ

x

β

c
Yd


lực đẩy phay khoảng PΣ1x=1100N
3. Kết cấu của hệ thống treo ảnh hưởng đến lực đẩy của máy phay lên
máy kéo. Quan hệ đó được xác định bằng hệ phương trình 2.9, từ đó phân tích
lực và mô men tác dụng giữa máy công tác và máy kéo, xác định được điểm đặt,
phương chiều và trị số của lực tác dụng từ máy phay qua cơ cấu treo tác động
vào máy kéo theo phương trình 2.10.
4. Khi LHM làm việc trên đất dốc ngang β, khi phay lắp cân thì lực đẩy và
lực nâng phay thông qua cơ cấu treo tác dụng vào máy kéo một lực Pmcosγ sinh
ra mô men xoay Mx-p nhỏ làm giảm tính ổn định hướng chuyển động của LHM
(LHM chuyển động chậm về phía chân dốc). Còn nếu lắp phay lệch phía dưới
dốc thì sẽ làm tăng ổn định hướng hơn khi lắp trên dốc vì mô men xoay do thành
phần lực Pmcosγ sinh ra sẽ làm cho LHM quay lên dốc. Ngược lại khi lắp phay
lệch về phía trên dốc thì mô men xoay do thành phần Pmcosγ sinh ra sẽ làm cho
LHM quay xuống dưới dốc, dẫn đến LHM xoay xuống dốc nhanh hơn gây mất
ổn định hướng chuyển động (khi người lái không tác động điều khiển).

8


CHƯƠNG 3
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA LHM KHI LÀM VIỆC TRÊN ĐẤT
ĐỒI DỐC
3.1. Xây dựng mô hình toán khảo sát khả năng làm việc trên đất dốc của LHM
3.1.1. Xây dựng mô hình
Các giả thiết:
- Do khảo sát LHM khi làm việc với chiều sâu phay cố định, bỏ qua vận tốc xoay
quanh ox, oy và dịch chuyển của tọa độ trọng tâm theo oz.
- Tọa độ trọng tâm và vị trí treo máy phay được cho là nằm trong mặt phẳng
thẳng đứng đối xứng chứa đường tâm dọc của máy kéo;
- Máy kéo chuyển động ổn định và bỏ qua các tải trọng động vì máy kéo nông

Pm

Mk

Gp.cosβ
MP

γ

Gpsinβsinψ

Z
Pf

C

Pk hc

K

hm

hp

x

e

0,5Lx



10


3.1.2. Mô hình toán học
Cân bằng lực và mô men đối với tọa độ trọng tâm của LHM trong hệ tọa
độ di động được hệ ba phương trình sau:
M(vx  vy .z )  (Pkd  Pkt )  (Pfd Pft )  G.sin.sin  Pm.cos

M(vy  vx .z )  (Yd  Yt  Ym )  (G  GP ).sin.cos
 
Ioz (z )  (Pkt - Pft - Pkd  Pfd ).B/2- (Gp .sin.cos.(lm  c) (G Gp ).sin.cos.(ey - c) Mcx )
t



v

(3.1)

x

 vxo 

1
[(Pkd  Pkt )  (Pfd  Pft ) G. sin.sin  Pm . cos  M.vy .z ]dt
M 0

t
1



(3.3)

3.2. Mô hình truyền lực hai dòng công suất của LHM phay
Mô hình truyền lực của LHM phay là mô hình hai dòng công suất, một
dòng truyền đến hệ thống di động máy kéo và một dòng truyền đến bộ phận công
tác của máy phay (hình 3.3).
M2

Bộ truyền xích
(ix)

Me

Mc

Mb
Bơm thủy lực

( itl )

Động cơ

Mô tơ
thủy lực

Hộp số
phay
( ip )

M1 

( Pk  P1x ).rbs
ihtdd . m

(3.7)

Trong đó: ihtdd là tỷ số truyền của hệ thống dẫn động máy kéo;
rbs – bán kính bánh sao.
b) Mô hình tương tác đất-xích
+ Tính phản lực pháp tuyến chung Z, nhánh xích dưới Zd và nhánh xích trên Zt:
(3.8)

Z  G cos   Pm sin 
(G  G p ). cos   Pm sin 
2

(G  G p ). cos   Pm sin 



(G.h g  G p .h p ) sin  cos

(3.9)

B

(G.hg  G p .hp ) sin  cos

(3.10)



thường không đảm bảo độ tin cậy, thông thường quan hệ Pk-  được lấy theo
thực nghiệm.

12


Z

Lx

Vx
0

X

m

l

Y

0

X
Mx

Hình 3.4. Đồ thị đường đặc tính độ trượt δ-Pk của máy kéo xích MKX-30
khi làm việc trên đất

dải xích khi LHM làm việc trên đất dốc ngang theo hệ tọa độ cố định XOY:
 A  vo  y.
(3.18)

 A  o  x.
Trong đó: τA- chuyển dịch của điểm A theo phương dọc của dải xích;
ηA- chuyển dịch của điểm A theo phương ngang của dải xích; ηo- chuyển dịch
của trọng tâm theo phương ngang của dải xích; vo- vận tốc ban đầu của LHM;
ηo
ψ- góc xoay thân máy;
m

τ

l

A

x(i+1)

K

G (c cos   hg sin  sin )  Pm .(hm cos   l1 sin  )

d

(3.15)

N M


x1

i.v.Δt

(3.14)

- Xác định độ dịch tâm áp lực
e

xi

Y

η

+ Xác định phản lực ngang tác dụng lên dải xích
Y  Yt  Yd  (G  G p )sin  cos

b

Gsinβ

B
B
G sin  cos  Pm cos 
2
2
(3.17)




M2 

Mb
itl . x

Nhập các thông số đầu vào: G,Gp, Lx, c,B,
hg, l1, hp, hm, Lm, D, b, ihtdd, ηmk, ηp, ip, zlv,
ic, μ,τ,σ, hc, β, fcl, Jo , Me=f(ne), δ=f(Pk)….

t=0 (ψ=0)

(3.23)

c) Xác định tỷ số truyền chung và hiệu suất bộ truyền cho phay
Nếu gọi tỷ số truyền từ trục khuỷu động cơ đến trục trống phay là i2:

i 2  i x .itl .i p

START

Tính Mcp, Mk, Me, λ,
P1x , P1z Pm, vm, vp

Sgh -khoảng giới hạn di
chuyển theo phương ox;
to – giới hạn thời gian.

(3. 24)


LHM là một đường cong hướng xuống chân dốc.

16


O

Hình 3.9: Quỹ đạo chuyển động của LHM B2010 lắp máy phay L1501 Khi làm
việc trên đất dốc ngang

Hình 3.10: Quan hệ giữa góc xoay thân máy  khi di chuyển quãng đường OX[m]

Hình 3.12: Ảnh hưởng của độ dốc  đến quỹ đạo chuyển động của LHM theo
phương dọc ox=20m
Qua khảo sát, thay đổi độ dốc  khoảng dịch chuyển theo phương Y và
góc xoay thân máy  cũng thay đổi. Cụ thể khoảng dịch chuyển theo phương Y
và góc xoay thân máy  tỷ lệ thuận với độ dốc .
3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của lắp phay đến lệch ngang

Vx

Vy

Hình 3.11: Quan hệ giữa vx và vy của LHM Khi làm việc trên đất dốc ngang
Qua các đồ thị cho thấy khi LHM đi quãng đường dọc theo phương OX là
10m thì LHM dịch chuyển xuống 0,16m theo phương ngang Y và xoay nghiêng một
góc ψ=2,8o, LHM đi quãng đường dọc theo phương OX là 20m (tăng 10m) thì LHM
dịch chuyển xuống 1,36m (tăng 1,2m) theo phương ngang Y và xoay nghiêng một
góc ψ=12o khi LHM đi được 25m (tăng 5m) theo phương OX thì nó dịch ngang theo
phương OY một đoạn là 2,75m (tăng 1,39m) và xoay nghiêng một góc ψ=19,5o. Vậy

thì khoảng lệch ngang Y là 0,12m .
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
1. Khi góc dốc nhỏ (10-25o) và máy kéo đủ bám thì máy kéo chỉ chuyển
động lệch xuống dưới dốc do biến dạng ngang theo phương OY gây ra.
2. Khi tăng chiều sâu phay hc (phay sâu hơn) thì khả năng chống trượt
ngang và chống xoay tốt hơn, đồng thời tăng lực đẩy phay do đó sẽ tăng khả
năng ổn định hướng chuyển động của LHM.
3. Nếu vận tốc di chuyển của máy kéo Vm tăng thì khả năng ổn định hướng
chuyển động của LHM tăng, xong chỉ số động học λ lại giảm ảnh hưởng đến yêu
cầu chất lượng nông học. Do vậy để vừa đảm bảo tính ổn định hướng và cả yêu
cầu nông học thường nên chọn chỉ số động học λ trong khoảng 3-5 là phù hợp
nhất.
4. Nếu lắp phay lệch xuống phía dưới dốc thì độ ổn định hướng tốt hơn khi
lắp cân, còn nếu lắp phay lệch phía trên dốc thì độ ổn định hướng là kém nhất, do
khi lắp phay lệch phía trên dốc lực Pmcosγ và Gpsinβsinψ sẽ sinh ra mô men xoay
làm cho LHM quay xuống dốc nhanh hơn và ngược lại khi lắp phay lệch về phía
dưới dốc.
5. Qua kết quả khảo sát cho thấy khi LHM làm việc trên đất dốc ngang β,
nếu gốc dốc β tăng thì khoảng dịch chuyển theo phương ngang Y và góc xoay
thân máy ψ cũng tăng dẫn đến độ ổn định hướng của LHM giảm. Để tăng khả
năng ổn định hướng chuyển động khi phay trên dốc ngang, cơ cấu treo máy kéo
cần được thiết kế với hệ thống dịch chuyển điểm treo tự động bằng xi lanh lực
để dịch chuyển máy phay ngược xuống phía dưới dốc tỷ lệ theo góc gốc β.

9

8

7


khẳng định mô hình lý thuyết ở chươnng 2 là đúng. Vì khi lực đẩy tăng thì lực
cắt cũng tăng dẫn đến mô men truyền đến phay cũng tăng theo.

Hình 4.2: Đặc tính lực đẩy phụ thuộc vào mô men cản phay Mp (hc=10;7cm)

Chương 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm
Mục đích nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định: các tham số đầu vào
của mô hình tính toán (ứng suất tiếp τ và ứng suất cắt σ và tỷ số truyền từ động
cơ đến mô tơ thủy lực, xác định đặc tính động cơ), chỉ số động học λ ảnh hưởng
rất lớn đến lực đẩy phay và chất lượng làm đất và nghiên cứu thực nghiệm còn
nhằm kiểm chứng mức độ tin cậy của mô hình tính toán quỹ đạo chuyển động
của LHM ở chương 3 lý thuyết và cũng đồng thời kiểm chứng biện pháp nâng
cao độ ổn định hướng của LHM khi làm việc trên đất dốc ngang.

4.2 Thí nghiệm đo lực đẩy và mô men cản phay
4.2.1 Mô hình và sơ đồ bố trí các thiết bị đo

19

Hình 4.3: Đặc tính lực đẩy phụ thuộc vào chỉ số động học λ (hc=10;7cm)
Thực nghiệm đã cho thấy khi chỉ số động học λ tăng thì lực đẩy tổng

P1x giảm. Do khi chỉ số động học λ tăng tức là vận tốc Vp tăng, lên diện tích cắt
20


3



Me

5

B

Mbs

G

V

6

nbs
hc

P 1x

P1z

8

11
Pf

Pk

Hình 4.6 .Mô hình và sơ đồ bố trí các thiết bị đo

Hình 4.9. kết quả đo quỹ đạo chuyển động của LHM khi lắp phay lệch trái
* Quỹ đạo chuyển động của LHM khi lắp phay lệch phải

22


Quỹ đạo chuyển động của LHM khi lắp phay cân hai bên

Hình 4.10. kết quả đo quỹ đạo chuyển động của LHM khi lắp phay lệch phải
- Để LHM chuyển động ổn định nhất khi làm việc trên đất dốc (độ dốc β không
đổi) thì nên lắp phay lệch trái ( về phía dưới dốc) khi đó người lái tác dụng vào
cơ cấu lái ít nhất trong khoảng thời gian làm việc như nhau, còn ngược lại khi lắp
lệch về phía phải thì người lái lại phải tác dụng vào cơ cấu lái nhiều nhất trong
cùng khoảng thời gian làm việc.
4.3.3 So sánh kết quả thực nghiệm với mô hình tính toán quỹ đạo của LHM
B2010B và máy phay L1501 khi làm việc trên đất dốc ngang
a) Khi LHM làm việc không tải
Đồ thị so sánh khoảng lệch ngang Y của LHM làm việc trên chiều dài
ox=18,5m, chiều sâu phay hc=10cm, vận tốc vx=0,74km/h :
Quỹ đạo chuyển động của LHM khi chạy không tải

Hình 4.12: so sánh phụ thuộc của độ dịch ngang đến quỹ đạo chuyển động của
LHM khi lắp phay cân
c) Khi lắp phay lệch trái
Đồ thị so sánh khoảng lệch ngang Y của LHM làm việc trên chiều dài
ox=18,5m, chiều sâu phay hc=10cm, vận tốc vx=0,65km/h tính và thực nghiệm
khi lắp phay lệch trái:
Quỹ đạo chuyển động của LHM khi lắp phay lệch dưới dốc

Hình 4.13 : so sánh phụ thuộc của độ dịch ngang đến quỹ đạo chuyển động của

chính xác và mức độ tin cậy của mô hình tính toàn là hoàn toàn chấp nhận được.
4. Ứng dụng phương pháp thực nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động
của LHM bằng Camera tốc độ cao (FASTCAM SA1.1 675K-C1) hoàn toàn đáp
ứng khi LHM đang làm việc với vận tốc rất nhỏ (0,5-3Km/h) và trên đất dốc.
5. Kết quả thực nghiệm đo quỹ đạo chuyển động của LHM khi di chuyển
trên đất dốc ngang hoàn toàn phù hợp với mô hình tính toán trong cùng điều kiện
làm việc như nhau, với sai số trung bình 12,2% là hoàn toàn tương thích về quy
luật. Điều đó chứng tỏ mô hình tính toán đủ tin cậy cho nghiên cứu.
6. Khi lắp phay lệch lên trên hoặc dưới dốc thì quỹ đạo đo được hoàn toàn
phù hợp với mô hình tính toán với sai số 9,7 và 13,6% là hoàn toàn nằm trong
phạm vi cho phép.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
1.Luận án đã tiến hành phân tích các thành phần phản lực của đất tác
động lên máy phay bao gồm hai thành phần lực chính là lực đấy phay PΣ1x và lực
nâng phay PΣ1z. Để đảm bảo được chiều sâu phay ổn định thì lực nâng phay phải
cân bằng với trọng lượng của máy và lực áp lực của cơ cấu thủy lực, còn lực đẩy
phay sẽ kết cấu và điều kiện sử dụng.làm tăng tính ổn định hướng chuyển động
của LHM khi lắp phay lệch xuống phía dưới dốc, còn nếu lắp lệch lên phía trên
dốc thì LHM sẽ xoay xuống phía dưới dốc nhanh hơn gây mất ổn định hướng lớn
hơn.
2. Luận án đã nghiên cứu lý thuyết và tìm được hàm mô men lực cản của
phay (2.30) cũng như hàm lực đẩy (2.28) phụ thuộc chỉ số động học λ (phụ thuộc
vào S), chiều sâu phay hc sau đó đã kiểm chứng bằng thực nghiệm. Kết quả có
sai số là 11,83 và 13,7% nhưng sai số nằm trong phạm vị cho phép.
3. Chất lượng làm đất phụ thuộc vào chỉ số động học λ (2.2), theo đó

25

nếu chỉ số động học λ tăng thì chất lượng làm đất và chi phí công suất cho phay


26