BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

HÀN TRUNG DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
SỬ DỤNG VÀ KẾT CẤU ĐẾN TÍNH CHẤT
CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO BÁNH
DÙNG TRONG NÔNG NGHIỆP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

HÀN TRUNG DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
SỬ DỤNG VÀ KẾT CẤU ĐẾN TÍNH CHẤT
CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO BÁNH
DÙNG TRONG NÔNG NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 62.52.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. BÙI HẢI TRIỀU

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc và tập thể cán bộ CNV Trung tâm
Giám định máy và thiết bị (trực thuộc Viện Cơ Điện NN và Công nghệ STH) đã
tạo điều kiện giúp đỡ tôi về thiết bị trong quá trình triển khai thí nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn Th.S. Lê Anh Sơn, giảng viên Bộ môn Động lực,
Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Nông nghiệp đã giúp đỡ phần mềm và công cụ
tính toán rất hiệu quả.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và
ngoài cơ quan và đặc biệt là các thành viên trong gia đình, 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

Hàn Trung Dũng

ii


Với tất cả lòng chân triển MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ....................................................................x
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... xiii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................5
1.1.

Khái quát về tình hình phát triển máy kéo nông nghiệp ở nước ta .............5

1.1.1. Thực trạng trang bị máy kéo ở nước ta......................................................5

Kết luận phần Tổng quan ........................................................................37

Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................38
2.1.

Nội dung nghiên cứu...............................................................................38

2.2.

Phương pháp nghiên cứu.........................................................................38

2.2.1. Phương pháp mô hình hoá đối tượng nghiên cứu ....................................38
2.2.2. Phương pháp mô phỏng số kết hợp với mô phỏng thực nghiệm ..............40
2.2.3. Phương pháp giải bài toán chuyển động của ô tô máy kéo ......................43
2.2.4. Phương pháp đánh giá tính chất chuyển động của ô tô máy kéo ..............45

iii


2.2.5. Phương pháp thí nghiệm xác định các tham số đặc trưng của mô hình
nghiên cứu.........................................................................................................47
2.2.6. Xây dựng phương pháp thí nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động vòng
của máy kéo ......................................................................................................49
2.3.

Kết luận chương 2...................................................................................55

Chương 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP .57
3.1.


Chọn đối tượng để khảo sát....................................................................81

4.2.

Khảo sát động lực học chuyển động vòng ..............................................82

4.2.1. Phương án thay đổi góc lái cuối .............................................................82
4.2.2. Phương án thay đổi tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng ..............................83
4.3.

Khảo sát chuyển động vòng ổn định ......................................................84

iv


4.3.1. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi góc lái cuối .........85
4.3.2. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi tỉ số truyền ..........85
4.3.3. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi lực cản kéo..........87
4.3.4. Các thông số vòng ổn định khi thay đổi phân bố trọng lượng.................88
4.4.

Khảo sát sự sai lệch quỹ đạo chuyển động so với quỹ đạo cho trước......92

4.4.1. Sai lệch quỹ đạo khi máy kéo quay vòng 900 .........................................93
4.4.2. Sai lệch quỹ đạo khi vòng 1800 không nút..............................................94
4.4.3. Sai lệch quỹ đạo khi vòng 1800 theo hình quả lê.....................................95
4.5.

Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính bánh xe khi làm việc trên các loại nền 97

5.3.5. Kết nối thiết bị với máy kéo ngoài thực địa..........................................109
5.3.6. Tổ chức thí nghiệm ..............................................................................111
5.3.7. Kết quả thí nghiệm ..............................................................................111
5.3.8. Kết quả xác định các hệ số của mô hình bánh xe..................................113
5.4.

Thí nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng ..........................................116

5.4.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................116

v


5.4.2. Xây dựng hệ thống đo lường, thu thập và xử lý số liệu thí nghiệm quá
trình quay vòng máy kéo .................................................................................116
5.4.3. So sánh kết quả tính toán khảo sát theo mô hình mô phỏng với kết quả
thực nghiệm trên máy kéo MTZ-80 .................................................................122
5.5.

Kết luận chương 5.................................................................................125

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ............................................................................127
Kết luận...........................................................................................................127
Đề nghị............................................................................................................128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
ÁN ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vi







f
k
l
lF

Tên gọi

Đơn vị
tính
rad
Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu trước
rad
Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu sau
rad
Góc chuyển động lệch tại vị trí trọng tâm
rad
Góc xoay trung bình của hai bánh xe dẫn hướng cầu trước
quanh trục z trong theo hệ tọa độ thân xe
Hệ số bám dọc trung bình của các bánh xe cầu trước
Hệ số bám ngang trung bình của các bánh xe cầu trước
Hệ số bám dọc trung bình của các bánh xe cầu sau
Hệ số bám ngang trung bình của các bánh xe cầu sau
Hệ số bám tổng hợp của bánh xe cầu trước
Hệ số bám tổng hợp của bánh xe cầu sau

Bán kính cong của quỹ đạo trọng tâm của máy kéo
Hệ số cản lăn
Hệ số kéo của máy kéo
m
Chiều dài cơ sở của máy kéo
m
Khoảng cách từ trọng tâm máy kéo đến cầu trước

vii


lR
lM
lMF
lMR
m
rdF
rdR
rtF
rtR
B
C zF

CzR
C xF
CxR
C yF
C yR

FxF

Độ cứng theo phương ngang của bánh xe cầu trước
Độ cứng theo phương ngang của bánh xe cầu sau
Lực dọc trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
trước
Lực dọc trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
sau
Lực ngang trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
trước
Lực ngang trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
sau
Lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe
cầu trước
Lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe
cầu sau
Lực cản lăn của đất đối với các bánh xe cầu trước
Lực cản lăn của đất đối với các bánh xe cầu sau
Lực cản kéo của máy nông nghiệp
Trọng lượng của máy kéo
Trọng lượng của máy nông nghiệp
Mô men quán tính của động cơ và phần chủ động của li hợp
Mô men quán tính của phần bị động của li hợp và các chi tiết
quay trong hộp phân chia
Mô men quán tính của máy kéo theo trục dọc x qua trọng
tâm
Mô men quán tính của máy kéo theo trục ngang y qua trọng
tâm

viii

m

kg.m2
kg.m2


Jz
JF
JR
ME
M
M kF
M kR
M cq
Mp

M zF
M zR
S xF
S xR
S yF
S yR

S RF
S RR
v
vF
vR

Mô men quán tính của máy kéo theo trục z qua trọng tâm
Mô men quán tính qui đổi về trục quay của bánh xe cầu trước
Mô men quán tính qui đổi về trục quay của bánh xe cầu sau

SXNN sản xuất nông nghiệp
2WD dẫn động 2 bánh (two wheel drive)
4WD dẫn động 4 bánh (four wheel drive)
2WS lái 2 bánh (two wheel steer)
4WS lái 4 bánh (four wheel steer)
WTD Thiết bị khảo nghiệm bánh xe (wheel testing device)

ix

kg.m2
kg.m2
kg.m2
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m

m/s
m/s
m/s


DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
TT

Tên hình


Sơ đồ treo máy kéo theo mặt phẳng thẳng đứng

48

2.2

51

3.2

Sơ đồ tính toán các thông số động học quay vòng của máy kéo
khi sử dụng hai sensor vận tốc
Sơ đồ tính toán xử lý kết quả thí nghiệm quay vòng của máy
kéo khi sử dụng một sensor vận tốc
Sơ đồ một vết nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy
kéo 4x4
Sơ đồ động học của các cầu

3.3

Đường đặc tính ngoài của động cơ điêzen

63

3.4

Mô hình động lực học đường truyền lực của máy kéo 4x4

64


3.11

79

4.1

Sơ đồ khối mô tả thuật toán khảo sát tính chất chuyển động của
MK
Các phương án thay đổi góc lái cuối

4.2

Các phương án thay đổi tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng

83

4.3

Các thông số đặc trưng thay đổi theo góc lái cuối

85

4.4

Các thông số đặc trưng thay đổi theo số truyền

86

2.3

87

4.7

88

4.8

Góc chuyển động lệch của các cầu phụ thuộc vào lực cản kéo
máy nông nghiệp
Sơ đồ máy kéo ở thế vận chuyển với máy nông nghiệp treo sau

4.9

Sơ đồ máy kéo ở thế vận chuyển với máy nông nghiệp treo trước

89

4.10

Các thông số đặc trưng thay đổi theo sự phân bố trọng lượng

90

4.11

91

4.12


96

4.18

Sai lệch quỹ đạo máy kéo YM-3000 khi quay vòng 1800 hình
quả lê
Ảnh hưởng của đặc tính bánh xe đến quỹ đạo chuyển động vòng

4.19

Quỹ đạo và gia tốc trọng tâm khi thay đổi tọa độ trọng tâm dọc

98

4.20

Gia tốc ngang trọng tâm thay đổi theo số truyền

99

5.1

Sơ đồ bố trí thiết bị ghi dao động lắc của máy kéo được treo

102

5.2

Sơ đồ khối chương trình tính toán chu kỳ T0 và mô men quán
tính JZ bằng phần mềm DASYLab 7.0

Sơ đồ kết nối các phần tử của hệ thống đo lường

109

5.10

Thiết bị được liên kết với máy kéo nhờ hệ thống khung treo đặc
biệt

110

5.3
5.4

xi

89

93

97

103

105

108


5.11


115

5.17

Sơ đồ hệ thống đo lường khi thí nghiệm quay vòng máy kéo

116

5.18

Sơ đồ lắp sensor V1 trên máy kéo

117

5.19

Sơ đồ bố trí thiết bị đo góc lái

118

5.20

118

5.22

Sơ đồ kết nối các thiết bị đo trong thí nghiệm chuyển động vòng
của máy kéo
Sơ đồ kết nối các module trong worksheet thí nghiệm quay


DANH MỤC BẢNG

TT

Tên bảng

Trang

4.1 Các thông số của liên hợp máy kéo YM-3000 + MNN

90

5.1 Ma trận thí nghiệm để xây dựng đặc tính bánh xe máy kéo

111

5.2 Các hệ số theo mô hình Burckhardt của các bánh xe lắp trên máy
kéo Yanmar 3000 trên một số loại đường

114

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, vấn đề công
nghiệp hoá - hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn là một trong những nhiệm
vụ trọng tâm nhằm thúc đẩy quá trình chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông thôn, gắn

vấn đề về tính năng kéo bám, tính chuyển động êm dịu của MK và đã thu được
kết quả khá tốt. Rất nhiều công trình tập trung nghiên cứu cải tiến bộ phận di
động cho máy kéo bánh làm việc trên ruộng lúa nước. Kết quả là có nhiều kết
cấu di động mới ra đời như bánh sắt, bánh mấu cao, xích ôm lốp, di động nửa
xích để làm việc trên đất có độ ẩm cao. Tuy nhiên có thể thấy một thực tế là các
nghiên cứu cải tiến trên mới chỉ ưu tiên giải quyết vấn đề di động của MK, chưa
có điều kiện chú ý nhiều đến các tính năng khác không kém phần quan trọng của
máy kéo như tính điều khiển, khả năng quay vòng và tính ổn định chuyển động.
Theo các nhà khoa học, bên cạnh các nghiên cứu về động lực học hướng
dọc (truyền lực, kéo bám) và phương thẳng đứng (dao động) thì việc nghiên cứu
động lực học hướng ngang của MK (tính quay vòng, điều khiển, ổn định) là rất
cần thiết, có vậy mới đáp ứng đầy đủ được yêu cầu nghiên cứu toàn diện về MK.
Tuy nhiên do tính chất phức tạp của bài toán, cộng với sự thiếu thốn về các
phương tiện nghiên cứu cho nên đến nay, ở nước ta chưa có nhiều kết quả nghiên
cứu về vấn đề này. Đó thật sự là khoảng trống tri thức cần được lấp đầy.
Quỹ đạo và sự ổn định chuyển động của MKNN có ảnh hưởng lớn đến
năng suất và chất lượng làm việc của liên hợp máy, đến mức độ an toàn, chí phí
nhiên liệu và sự mệt nhọc của người điều khiển. Đặc biệt, do đặc thù và tính chất
chuyển động của liên hợp máy khi thực hiện cơ giới hóa các khâu canh tác trên
đồng ruộng, máy kéo phải quay vòng ở hai đầu bờ rất nhiều (thường chiếm từ 15
đến 25% tổng thời gian hoạt động). Vì vậy máy kéo có tính năng quay vòng tốt
và điều khiển liên hợp máy một cách hợp lý sẽ giảm đáng kể đường chạy không
và các chi phí hoạt động.
Máy kéo là một hệ thống động lực phức tạp (động cơ - truyền lực – di
động), về điểm này gần giống với ô tô, tuy nhiên chúng thường xuyên phải làm
việc trong điều kiện hết sức khó khăn và luôn thay đổi (đất đai, tải trọng máy
nông nghiệp) – điểm này khác hẳn với ô tô. Chính vì vậy mọi nghiên cứu không
mang tính hệ thống, không đi sâu vào bản chất vật lí của quan hệ máy - đất có thể
sẽ không đánh giá hết các tính chất động lực học của hệ thống, và do đó có thể vô


Phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu được lựa chọn phù hợp với
điều kiện cụ thể của nước ta nhằm đạt mục đích của đề tài và để kết quả có thể
ứng dụng được vào thực tế chế tạo và sử dụng MKNN hiện nay.

3


Không đặt tham vọng giải quyết trọn vẹn một vấn đề khoa học phức tạp,
trong phạm vi đề tài luận án, công trình này chỉ tiến hành những bước nghiên cứu
đầu tiên, có tính chất đặt cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo, nhằm góp phần xây
dựng luận cứ khoa học cho việc tính toán thiết kế, cải tiến hoặc lựa chọn và nâng
cao hiệu quả sử dụng các loại máy kéo 4 bánh, phục vụ tốt cho cơ giới hoá nông
nghiệp ở nước ta. Ngoài ra phương pháp tiếp cận và kết quả nghiên cứu có thể sẽ
đóng góp cho công tác đào tạo đại học và sau đại học trong lĩnh vực liên quan.
4. Những đóng góp mới của đề tài luận án
- Mô hình động lực học được xây dựng trong luận án đã mô tả khá đầy đủ
tính chất chuyển động vòng của MK 4 bánh trên đất nông nghiệp. Trong mô hình
đã tích hợp tương tác giữa động cơ, hệ thống truyền lực, bánh xe, đất và máy
nông nghiệp (MNN). Sử dụng kỹ thuật mô phỏng, có thể khảo sát linh hoạt các
phương án kết cấu, sử dụng MKNN. Các thông số vào của mô hình được xác
định bằng thực nghiệm. Độ tin cậy và chính xác của mô hình đã được đánh giá
thông qua các thí nghiệm đối chứng.
- Thiết bị thí nghiệm bánh xe đã thiết kế và chế tạo có tính cơ động cao,
phù hợp để thực hiện thí nghiệm trên đồng ruộng đối với cả bánh xe chủ động và
bị động. Với hệ thống đo và xử lý số liệu hiện đại có thể xác định các thông số
ảnh hưởng đến tính chất chuyển động của bánh xe MK trên mặt đường biến
dạng. Kết quả thí nghiệm là cơ sở dữ liệu để xây dựng mô hình bánh xe trong
nghiên cứu tính chất chuyển động của MK.
- Mô hình bánh xe là một mô hình bán thực nghiệm, trong đó tính toán các
lực và mô men trong diện tích tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đồng từ độ trượt dọc

tư trang bị của hộ nông dân.
Tuy nhiên trong những năm gần đây, một mặt do phát triển mô hình kinh
tế trang trại, mặt khác do chủ trương dồn điền đổi thửa, xây dựng những “cánh
đồng mẫu lớn” để tập trung hơn, chuyên môn hoá hơn nhằm tăng năng suất lao
động, tăng số lượng sản phẩm hàng hoá, đảm bảo tính thời vụ để quay vòng quỹ
đất thì các loại máy kéo cỡ trung đang hội nhập trở lại nhanh chóng và mở ra
triển vọng to lớn.
Mức độ trang bị động lực nói chung và máy kéo nói riêng trên một đơn vị
diện tích canh tác nông nghiệp phản ánh trình độ cơ giới hoá sản xuất nông
nghiệp ở mỗi nước. Theo số liệu báo cáo của Cục Chế biến, thương mại nông
lâm thủy sản và nghề muối (2011), ở các nước phát triển chỉ tiêu này đạt rất cao:
ở Mỹ là 125 mã lực/ha; Nhật 35mã lực/ha, Trung Quốc là 6,06 mã lực/ha. Ngay
ở các nước đang phát triển của khu vực Đông Nam Á, chỉ tiêu này cũng đạt

5


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full