i
bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học nông nghiệp I

Đào Văn Tiến nghiên cứu một số tính chất sử dụng
của Liên hợp máy cày

luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành
: Kỹ thuật máy và thiết bị
cơ giới hóa nông lâm nghiệp
Mã ngành
: 605214

Ngời hớng dẫn khoa học
:
PGS.TS. Nông Văn Vìn Hà Nội 2006

iii
Lời cảm ơn Trong suốt quá trình theo học và nghiên cứu tại trờng tôi đã nhận đợc sự
hớng dẫn và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong Khoa Sau Đại Học và Khoa Cơ
Điện. Nhân dịp này tôi xin đợc bày tỏ lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa
Sau Đại Học và Khoa Cơ Điện đặc biệt là các thầy cô giáo trong bộ môn Động lực
thuộc Khoa Cơ Điện Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội đã hớng dẫn và chỉ bảo
tôi làm luận văn.
Tôi xin đợc bày tỏ lời cảm ơn tới thầy giáo PGS.TS Nông Văn Vìn đã tận tình
hớng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện cho tôi nghiên cứu và làm luận văn.
Trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận đợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và bạn bè đồng nghiệp để đề tài
đợc hoàn thiện.

Tác giả
Đào Văn Tiến iv
Mục lục
Lời cam đoan i

Lời cảm ơn iii


2.4.2. Xác định vận tốc làm việc tối u V
tu
24

3. Mô hình tính toán và chơng trình khảo sát một số chỉ tiêu sử dụng của liên hợp
..máy cày

3.1. Mô hình nghiên cứu liên hợp máy cày khi chuyển động bình ổn 26

3.1.1. Động lực học của liên hợp máy 28

3.1.2. Năng suất liên hợp cày 31

3.1.3. Chi phí năng lợng riêng của liên hợp cày 34

3.2. Mô hình toán của liên hợp cày 40

3.3. Phơng pháp xác định bề rộng và vận tốc làm việc tối u của liên hợp cày 41

3.4. Thuật giải và chơng trình tính toán 44

3.5. Một số kết quả khảo sát 46

26 v
3.6. Khảo sát ảnh hởng của một số yếu tố đến hiệu quả sử dụng của liên hợp máy kéo
Shibaura 3000A khi làm việc với cày chảo


5.2.1. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp xây dựng đờng đặc tính kéo lý
...thuyếtthực nghiệm .......................................................................................................77

5.2.2. Xây dựng đờng cong cơ sở .................................................................................... 80

5.2.3. Xây dựng đờng đặc tính kéo lý tuyết thực nghiệm cho máy kéo
SHIBAURA-3000A.....................................................................................................81

5.3. Lựa chọn khoảng vận tốc và bề rộng của cày ................................................................82

6. Kết luận và kiến nghị ............................................................................................................85

6.1. Kết luận .................................................................................................................................85
6.2. Kiến nghị 89
Tài liệu tham khảo.............................................................................................................87
Phụ lục............................................................................Error! Bookmark not defined.

48 vi
Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu Chú thích Đơnvị
B Bề rộng làm việc m
b Toạ độ dọc của trọng tâm máy kéo so với cầu sau m
E Bề rộng của khoảng đất quay vòng m
f Hệ số cản lăn của máy kéo
f

kN/m
2
K
c
Lực cản riêng khi cắt đất kN/m
2
K Lực cản riêng của cày kN/m
2
K
r
Hệ số tăng tải trọng kéo
L Chiều dài cơ sở của máy kéo m
L
q
Chiều dài quãng đờng quay vòng m
M
e
Mômen quay của động cơ Nm
N
e
Công suất hiệu dụng của động cơ kW vii
N
T
Công suất kéo kW
N



q
Vận tốc quay vòng km/h
v
T
Vận tốc lý thuyết km/h
v
tu
Vận tốc tối u km/h
W Năng suất của liên hợp cày ha/h
X Khoảng cách giữa hai đờng làm việc m

Hệ số tỷ lệ

Độ trợt %

Hệ số sử dụng thời gian chuyển động

e
Tốc độ quay của động cơ rad/s

k
Hệ số phân bố tải trọng trên các cầu chủ động

m
Hiệu suất cơ học trong hệ thống truyền lực %

r
Mức độ không đồng đều của lực cản

T

Hình 2.6. Đờng đặc tính thế năng của máy kéo............................................... 20

Hình 2.7. Đờng đặc tính kéo của máy kéo...................................................... 21

Hình 2.8. Chi phí năng lợng riêng phụ thuộc vào vận tốc làm việc............... 24

Hình 2.9. Sự phụ thuộc hiệu suất kéo
T
, chi phí năng lợng riêng a
e
, và
năng suất W vào vận tốc V ............................................................... 25

Hình 3.1. Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo ......................................................... 28

Hình 3.2. Sơ đồ quay vòng 180
0
không nút ....................................................... 33

Hình 3.3. Sơ đồ khối của mô hình liên hợp cày................................................. 36

Hình 3.4 Đờng đặc tính tự điều chỉnh của động cơ ......................................... 37

Hình 3.5. Mô hình xác định bề rộng và vận tốc làm việc tối u của liên hợp
cày.................................................................................................... 43
Hình 3.6. Đồ thị xác định vận tốc và bề rộng tối u của liên hợp máy ứng với chiều
dài ruộng khác nhau
Hình 3.7. ảnh hởng lực cản riêng K
0
đến năng suất W và chi phí nhiên liệu

Hình 4.10. Sơ đồ thuật toán xác định tính chất kéo bám của máy kéo .................................66

Hình 4.11. Mô phỏng quá trình thí nghiệm cày bằng phần mềm DasyLab 7.0...........67

Hình 4.12. Quá trình đo lực cản cày trụ CT 4-25...............................................................68

Hình 4.13. Quá trình đo lực cản của cày chảo CC 7-25 .....................................................69

Hình 4.14. ảnh hởng của độ sâu cày đến K
c
và g
c
đối với cày chảo CC 7-25..................71

Hình 4.15. Kết quả đo các chỉ tiêu kéo bám của máy kéo Shibaura-3000A 72
Hình 4.16. Đặc tính kéo của máy kéo Shibaura 3000A (trên nền bê tông) 73
Hình 4.17. Đặc tính kéo của máy kéo Shibaura 3000A (trên đất gốc rạ) 74
Hình 5.1. Đồ thị minh họa cách xác định các chỉ tiêu kéo ...................................................79

của máy kéo từ các đờng cơ sở
0
, V
0
và G
T0
......................................................79

Hình 5.2. Các đờng cong cơ sở của máy kéo SHIBAURA-3000A trên đất
gốc rạ....................................................................................................... 80


lớn hơn thuận tiện cho việc thâm canh. Một số vùng vẫn duy trì khâu làm đất
bằng các liên hợp máy kéo lớn thay cho các máy kéo nhỏ để làm thuê cho
các nông hộ. Đây cũng chỉ là những phong trào tự phát. 2
Về các loại máy làm đất đang đợc sử dụng phổ biến là cày trụ, cày
chảo, bánh lồng, bừa đĩa [6]. Gần đây loại cày chảo tỏ ra có nhiều u việt
hơn và đợc sử dụng ngày càng phổ biến hơn. Tuy nhiên việc nghiên cứu các
chỉ tiêu sử dụng loại liên hợp cày này còn ít đợc quan tâm.
Để có cơ sở khoa học cho việc trang bị và tổ chức sử dụng có hiệu quả
các liên hợp máy kéo nói chung và các liên hợp máy làm đất nói riêng, ngoài
những vấn đề lý thuyết cũng cần phải có những phơng pháp và thiết bị để
đánh giá các tính năng kỹ thuật của máy kéo, khả năng đáp ứng đợc các
yêu cầu sử dụng hoặc định hớng nhập máy từ nớc ngoài.
Với những lý do trên tôi đã thực hiện đề tài luận văn:
'' Nghiên cứu một số tính chất sử dụng của liên hợp máy cày ''
Mục đích nghiên cứu của đề tài :
Nhằm góp phần xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế cải tiến, lựa
chọn chế độ sử dụng hợp lý, nâng cao hiệu quả sử dụng của các liên hợp
máy cày ở vùng đồng bằng .
Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài :
- Nghiên cứu tổng quan về tình hình cơ giới hoá làm đất vùng đồng
bằng.
- Xây dựng mô hình nghiên cứu các chỉ tiêu sử dụng của liên hợp máy
- Xây dựng mô hình khảo sát ảnh hởng của một số yếu tố đến các chỉ
tiêu sử dụng của liên hợp máy.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các hệ số và xây dựng đờng đặc
tính kéo của máy kéo.
Đối tợng nghiên cứu : nghiên cứu tính chất sử dụng máy kéo

từng khu vực và quy trình làm đất. Chất lợng làm đất phụ thuộc vào kết cấu
của bộ phận làm việc của cày, mức độ điều chỉnh chính xác khi liên kết cày
với máy kéo và chế độ vận tốc chuyển động của liên hợp máy.
4
Về tính kinh tế, chỉ tiêu đánh giá tổng hợp nhất là giá thành của công
việc cày (giá thành một đơn vị diện tích do liên hợp máy thực hiện đợc).
Chỉ tiều này lại đợc giới hạn bởi một loại chỉ tiêu sử dụng khác và chúng
phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố. Các yếu tố này có thể chia thành 2 nhóm yếu
tố chính: Nhóm các yếu tố kỹ thuật và nhóm các yếu tố về kỹ thuật sử dụng.
- Các yếu tố kỹ thuật chủ yếu liên quan đến kết cấu của máy kéo, máy
cày, kỹ thuật và chế độ sử dụng liên hợp máy. Nhóm này sẽ ảnh hởng đến
hiệu quả sử dụng và ảnh hởng đến cả chất lợng công việc mà liên hợp máy
đảm nhiệm.
Sự ảnh hởng của điều kiện sử dụng chủ yếu là các tính chất cơ lý của
đất, tình trạng mặt đồng, yêu cầu về kỹ thuật nông học, kích thớc lô thửa.
Nh vậy để tìm ra các biện pháp nâng cao chất lợng và sử dụng các
liên hợp máy cày đòi hỏi phải nghiên cứu hàng loạt các vấn đề liên quan.
Sự ra đời của các liên hợp máy bắt đầu từ sự ra đời của ngành chế tạo
máy (khoảng 1880) mà những liên hợp máy đầu tiên đợc nghiên cứu chính
là liên hợp máy cày. Tuỳ thuộc vào mục đích và điều kiện nghiên cứu, nội
dung và phơng pháp nghiên cứu sẽ khác nhau, các kết quả nghiên cứu cũng
ở các mức độ khác nhau và có tầm tác dụng khác nhau. Nhìn chung sự
nghiên cứu về liên hợp máy cày có thể chia ra làm bốn định hớng:
- Nghiên cứu về kết cấu và tính năng của máy kéo, tuy nhiên định
hớng nghiên cứu này không phải chỉ riêng phục vụ cho liên hợp máy cày
mà còn phục vụ cho các liên hợp máy khác [7].
- Nghiên cứu về kết cấu và tính năng sử dụng của máy cày.

ở đây sẽ phân tích một số vẫn đề nghiên cứu trong các công trình đã đợc công
bố của nhiều tác giả khác nhau có liên qua đến hớng nghiên cứu này.
2.2. Tính tiết kiệm năng lợng của máy cày
Tiết kiệm năng lợng của máy cày đợc đặc trng bởi lực cản kéo mà
khi làm việc máy kéo phải sản ra một lực để khắc phục lực nó.
Lực cản kéo của cày có thể chia ra thành 2 thành phần: lực cản lăn của 6
bánh xe (bánh tựa đồng của cày treo hoặc các bánh xe của cày móc) và lực
cản làm việc.
Lực cản lăn của máy cày đợc sinh ra chủ yếu là do ma sát trong các ổ
đỡ và do sự nén đất của các bánh xe theo phơng thẳng đứng. Ngoài ra còn
do lực ma sát của các bánh xe với đất, nó đợc sinh ra do các thành phần lực
dọc trục tác dụng lên các bánh xe, lực cản lăn phụ thuộc vào kết cấu của các
bánh xe, loại và tình trạng kỹ thuật của các ổ đỡ, tải trọng thẳng đứng trên
các bánh xe, tốc độ chuyển động và tính chất cơ lý của đất.
Lực cản làm việc bao gồm các thành phần lực cản sau: lực ma sát các
bộ phận làm việc của cày với đất, lực cản do biến dạng của đất gây ra, lực
cản do chi phí năng lợng để làm dịch chuyển và lật đất. Lực cản làm việc
chủ yếu phụ thuộc vào: kết cấu cấu của bộ phận làm việc và tình trạng của
nó, các tính chất cơ lý của đất và tình trạng mặt đồng, độ cày sâu, bề rộng
làm việc, tốc độ chuyển động của liên hợp máy.
Do phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có cả yếu tố ngẫu nhiên, nên
việc xác định các giá trị lực cản lăn cũng nh lực cản làm việc thờng đợc
xác định bằng thực nghiệm. Xong để phục vụ tính toán thiết kế cày cũng nh
để tính toán thành lập liên hợp máy nhiều tác giả đã đề xuất các công thức
thực nghiệm khác nhau.
Để xác định lực cản làm việc của cày viện sĩ V.P.Gorinaskin [24] đã
đề xuất công thức:

Các hệ số f
c
,

K
c
, đợc xác định bằng thực nghiệm. Giá trị của chúng
phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu của bộ phận làm việc (dạng, vật liệu, trạng
thái bề mặt làm việc), các tính chất của đất và độ ổn định chuyển động của
liên hợp máy.
Công thức trên thể hiện tơng đối đầy đủ bản chất của quá trình làm
việc của bộ phận làm việc của cày. Trong đó thành phần f
c
G
c
biểu thị lực ma
sát, K
c
Bh là lực cản sinh ra do biến dạng và phá vỡ thỏi đất và hv
2
là lực
cản sinh ra do làm dịch chuyển và lật đất.
Lực cản lăn của cày cũng tỷ lệ thuận với trọng lợng của cày, do đó
trong một số trờng hợp để tiện cho việc tính toán cũng nh để tiện cho việc
xác định các hệ số các tác giả gộp luôn thành phần lực cản lăn vào số hạng
thứ nhất của công thức (2.1) khi đó tính lực cản kéo theo công thức:
P
x
= f.G
c

P
x
= K.h. B (2.4)
Trong đó: K - là lực cản riêng; B - bề rộng làm việc; h - là độ cày sâu.
Công thức (2.4) đợc sử dụng phổ biến khi tính toán lực cản của liên 8
hợp máy cày. Giá trị K chủ yếu phụ thuộc vào các tính chất cơ lý của đất, độ
cày sâu h và vận tốc làm việc v. Để tiện trong việc sử dụng công thức (2.4)
cần tiến hành trớc các quy luật thay đổi của lực cản riêng K. Các kết quả
nghiên cứu thực nghiệm trong cho thấy sự ảnh hởng của độ cày sâu h và
vận tốc làm việc V đến lực cản riêng K có dạng nh hình 2.1

Hình 2.1. Sự ảnh hởng của vận tốc làm việc đến lực cản riêng [28]

a) khi h < 20 cm b) khi h < 20 - 25 cm
c) khi h < 25 - 27 cm d) khi h < 27 - 30 cm

K = 59.01+4.09
v
100
1
K = 42.89+3.73
v
2
70
60
50
40
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6
V, m/s
K , kN/m
2
2
2.4
K = 66.21+4.63
v
90
1
60
70
80
2
100
K , kN/m
1.81.41.2 1.6 2.0 2.2
2
2

chính là thành phần lực cản riêng của đất sẽ phụ thuộc
vào các loại đất khác nhau và trạng thái vật lý của đất.
Từ những nghiên cứu thực nghiệm nhiều tác giả đã rút ra cùng một kết
luận rằng cùng một loại cày và những giới hạn nhất định của K thì giá trị của
các hệ số
1
và
2
gần nh không thay đổi.
Kết luận trên đã mở ra các hớng nghiên cứu tiếp theo cụ thể đối với
từng loại cày cần nghiên cứu xác đinh các hệ số
1
và
2
và cần nghiên cứu
xác định giá trị K
0
cho các loại đất khác nhau. Khi đó có thể sử dụng công
thức (2.5) để tính toán lực cản riêng của cày khi làm việc trên các loại đất
khác nhau. Giá trị của các hệ số
1
và
2
có thể chọn: với Ko =45 - 60kN/m
2

thì
1
= 0 ,
2

lực cản riêng của cày khi vận tốc v
1
= 1,1 ữ 1,4 m/s.
v vận tốc bất kỳ m/s.
K
c
độ gia tăng lực cản riêng khi vận tốc tăng lên 1 m/s, giá
trị của nó có thể chọn khi K
1
= 45-60 kN/m
2
thì K
c
= 11ữ18%; khi K
1
60
kN/m
2
thì K
c
= 18 ữ 25%.
Các công thức trên đợc xây dựng với giả thiết rằng lực cản kéo P
x
hoặc
lực cản riêng K của cày là đại lợng không thay đổi theo thời gian chuyển động
của liên hợp máy hoặc không thay đổi theo chiều dài đờng cày. 10
Trong thực tế P


=

=

(2.7)
Trong đó:
R
max
, R
min
- là các giá trị cực đại, cực tiểu của lực cản kéo;
R
tb
- giá trị trung bình của lực cản kéo;
Đối với khâu cày
r
= 0,3ữ 0,6, giá trị của
r
càng lớn thì đòi hỏi độ dự
trữ mômen quay của động cơ càng lớn. Điều này cần lu ý khi thành lập các
liên hợp máy cày.
Khi tính toán thành lập liên hợp máy kéo thờng đợc dựa trên đờng
đặc tính kéo, do đó để thuận tiện hơn ngời ta còn đa ra hệ số tăng tải trọng
kéo K
r
để đánh giá mức độ thay đổi lực kéo: 11

x
và K đợc tính theo các công thức trên.
Vì những lý do trên, trong hầu hết các công trình nghiên cứu đã công
bố, các tác giả đều sử dụng các giá trị trung bình của lực cản riêng để đánh
giá tính tiết kiệm năng lợng của cày và sử dụng giá trị trung bình của lực
kéo P
x
để tính toán thành lập liên hợp máy cày.
2.3. Tính năng kéo của máy kéo
Năng suất của máy cày là một trong những chỉ tiêu sử dụng quan
trọng, nó phụ thuộc rất nhiều vào bề rộng và vận tốc làm việc. Khả năng sử
dụng bề rộng và vận tốc làm việc lại phụ thuộc rất lớn vào tính năng kéo của
máy kéo. Do đó khi nghiên cứu các liên hợp máy cày không thể không quan
tâm đến tính năng kéo của máy kéo.
Tính năng kéo của máy kéo khi làm việc trên đồng đợc xác đinh bởi
khả năng kéo các loại máy công tác khác nhau trong những điều kiện đất đại
khác nhau. Tính năng này phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố: công suất của
động cơ, loại và kết cấu của hệ thống truyền lực, loại và kết cấu của hệ thống
di động, trọng lợng và sự phân bố trọng lợng trên các cầu di động hoặc
trên dải xích, các tính chất cơ lý của đất và tình trạng mặt đồng... 12
Để đánh giá tính năng kéo có thể sử dụng các chỉ tiêu khác nhau và các
phơng pháp đánh giá khác nhau, tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu cụ thể.
2.3.1. Đánh giá tính năng kéo bám
Khi đánh giá tính năng kéo bám của máy kéo ngời ta thờng sử dụng
các chỉ tiêu: lực cản lăn P
f
hoặc hệ số cản lăn f , độ trợt và hệ số sử dụng

cản lăn cho loại đất điển hình. Sự phụ thuộc của hệ số cản lăn có thể đợc
biểu thị qua công thức:
f = f
0
+ a
f
v (2.10)
Trong đó: f
0
- là hệ số cản lăn khi máy kéo chuyển động với vận tốc nhỏ
v
0
= 1ữ1,2 m/s;
a
f
- hệ số tỷ lệ, đợc xác đình bằng thực nghiệm.
v - vận tốc bất kỳ (v > v
0
).
Trong nhiều công trình khác cũng đã đợc nghiên cứu sự ảnh hởng
của nhiều yếu tố riêng rẽ nh vị trí tâm áp lực của máy kéo bánh xích, độ dốc
và độ nghiêng mặt đồng đến hệ số cản lăn. Nhng nhìn chung việc xác định
chính xác giá trị f là gặp nhiều khó khăn mà chủ yếu là chỉ có tác dụng để
nghiên cứu cải tiến kết cấu của hệ thống di động hoặc kết cấu của cả máy kéo.
Vì vậy khi tính toán thành lập liên hợp máy chủ yếu là sử dụng số liệu
thực nghiệm về hệ số cản lăn đợc xác định theo phơng pháp đơn giản bằng
cách dùng một máy kéo khác kéo máy kéo khảo nghiệm hoặc sử dụng công
thức (2.10)
Về độ trợt của máy kéo, đó là thông số để đánh giá khả năng bám
của các bánh chủ động hoặc các dải xích và đợc xác định theo công thức:

2- ứng với G
2
;3 - ứng với G
3

( G
1
> G
2
> G
3
)

Do phụ thuộc vào nhiều yếu tố cho nên việc xác định chính xác giá trị
độ trợt chỉ có thể tiến hành theo phơng pháp thực nghiệm. Trong khi đó
các đờng cong trợt của các loại máy kéo khác nhau sẽ khác nhau hoặc
cùng loại máy kéo nhng làm việc trên các loại đất khác nhau cũng có
đờng cong trợt khác nhau. Đó là một khó khăn lớn khi nghiên cứu thiết kế
các loại máy kéo mới hoặc khi tính toán thành lập liên hợp máy.
Khó khăn trên mới chỉ đợc khắc phục trong 3 thập kỷ gần đây khi
khám phá ra một loại đặc tính khác của độ trợt. Đó là sự phụ thuộc của độ
trợt vào hệ số sử dụng trọng lợng bám. Hệ số sử dụng trọng lợng bám T đợc xác định theo công thức:
k
T


%
0
15
ở các máy kéo xích hoặc các máy kéo bánh 2 cầu chủ động(4x4)
phản lực pháp tuyến chính bằng trọng lợng sử dụng của máy kéo Z
k
= G.
Còn ở máy kéo bánh một cầu chủ động 4x2, phản lực pháp tuyến đợc xác
định theo công thức:
( )
L
fGrhF
L
bLG
Z
ktT
k
+
+

=
.
(2.13)
Trong đó: L - là chiều dài cơ sở của máy kéo; b - khoảng cách từ trọng
tâm đến cầu sau của máy kéo; h
t