Tiến Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu đến tính chất chuyển động vòng của máy kéo

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014

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
1.1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo máy kéo ở nước ta 7
1.2. Khái quát về tính chất chuyển động của máy kéo 8
1.3. Sự cần thiết nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy kéo nông
nghiệp .11
1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về tính chất chuyển động của máy kéo 15
1.4.1. Quá trình và thành tựu nghiên cứu động lực học ô tô theo phương ngang 15
1.4.2. Tình hình nghiên cứu về tính chất chuyển động của máy kéo bánh .19
1.5. Tình hình nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo ở trong nước .24
1.6. Mô hình động lực học nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo .26
1.7. Các mô hình bánh xe để nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo 30
1.8. 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
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. Lựa chọn mô hình động lực học chuyển động của máy kéo nông nghiệp 57
3.2. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo nông
nghiệp trong trường hợp tổng quát .58
3.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình .58
3.2.2. Hệ thống phương trình vi phân mô tả tính chất chuyển động vòng 59
3.2.3. Các quan hệ động học bổ sung 61
3.2.4. Mô hình động cơ máy kéo 63
3.2.5. Mô hình hệ thống truyền lực .64
3.2.6. Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp .71
3.2.7. Lực cản kéo của máy nông nghiệp 76
3.3. Thử nghiệm mô hình để khảo sát chuyển động vòng của máy kéo trên đất
nông nghiệp .77
3.3.1. Mô hình một vết cho máy kéo có một cầu chủ động (4x2) 78
3.3.2. Sơ đồ khối thuật toán khảo sát tính chất chuyển động vòng của máy kéo
một cầu chủ động 79
3.4. Kết luận chương 3 80

Chương 4. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY
KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP. .81
4.1. 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
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
4.6. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu khác đến quỹ
đạo chuyển động vòng .98
4.6.1. Trường hợp trọng tâm liên hợp máy bị lệch hẳn về một phía .98
4.6.2. Trường hợp thay đổi tỷ số truyền khi quay vòng 99
4.7. Kết luận chương 4 100

Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. .101
5.1. Thí nghiệm xác định mô men quán tính Jz của máy kéo đối với trục đứng
qua trọng tâm 101
5.2. Xây dựng đặc tính động cơ bằng thực nghiệm .105
5.3. Thí nghiệm xác định đặc tính bánh xe máy kéo 106
5.3.1. Mô tả chung về thiết bị thí nghiệm bánh xe WTD-02 .106
5.3.2. Sơ đồ lắp ráp các cụm chức năng .107
5.3.3. Sơ đồ truyền động cho bánh xe thí nghiệm .108
5.3.4. Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường .108
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
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

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
phát triển nông nghiệp với công nghiệp chế biến và ngành nghề. Cùng với việc
đẩy mạnh công nghiệp chế biến nông sản, công cuộc cơ giới hoá phục vụ sản
xuất nông nghiệp góp phần tăng năng suất lao động, tăng số lượng sản phẩm
hàng hoá, giải phóng lao động nông nghiệp để chuyển sang phát triển ngành nghề
và dịch vụ, từng bước đổi mới bộ mặt nông thôn.
Máy kéo (MK) là nguồn động lực chủ yếu để thực hiện cơ giới hóa các
khâu canh tác, thu hoạch và vận chuyển trong sản xuất nông nghiệp.
Sản xuất nông nghiệp (SXNN) nước ta có đặc điểm và điều kiện canh tác
phức tạp, thời vụ, khí hậu, cây trồng và tập quán canh tác giữa các vùng khác
nhau rất lớn. Bởi vậy, để sử dụng MK đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, đòi hỏi
kích cỡ và chủng loại máy rất đa dạng. Hệ thống máy kéo ở nước ta hiện nay
phần lớn có nguồn gốc nhập từ nước ngoài, nhất là các máy kéo 4 bánh. Điều
đáng nói hơn cả là các MK ngoại nhập đã bộc lộ nhiều điểm không phù hợp với
điều kiện đất đai và thời tiết của ta, dẫn đến hiệu suất sử dụng thấp và hiệu quả
kinh tế không cao.
Thực tế trên đòi hỏi sự đầu tư thích đáng về mặt nghiên cứu cơ bản và
chuyên sâu, chuẩn bị cơ sở tốt cho thiết kế, cải tiến để các MK sản xuất trong
nước cũng như các MK nhập ngoại ngày càng hoàn thiện hơn, phù hợp hơn với
điều kiện SXNN của nước ta.
Máy kéo nông nghiệp (MKNN) có rất nhiều tính năng kỹ thuật và tính
năng sử dụng quan trọng. Nghiên cứu nhằm nhận dạng và đánh giá cả về định
tính lẫn định lượng các tính chất động lực học chuyển động của MK không
những góp phần quan trọng cho công tác thiết kế máy mới, cải tiến máy đã có mà
còn tạo cơ sở để lựa chọn trang bị hệ thống máy kéo phù hợp, đồng thời định
hướng khai thác sử dụng chúng có hiệu quả nhất.

Nhiều năm qua, các nhà khoa học trong nước đã quan tâm nghiên cứu các
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
tình dẫn đến sự thay đổi về cơ bản, thậm chí phá vỡ các tính năng của máy kéo
theo thiết kế ban đầu (Guskov, 1966; Pharobin, 1970; Lugovxeva, 1980;
Gyachev, 1981; Pacejka, 2002).
Từ nhu cầu thực tiễn và với những lí do trên, đề tài luận án đặt vấn đề
nghiên cứu một số vấn đề về động lực học chuyển động vòng của máy kéo 4
bánh dùng trong nông nghiệp, một mảng khoa học về cơ khí hóa nông nghiệp
chưa có nhiều thành quả nghiên cứu ở nước ta.
2. Mục tiêu, nhiệm vụ và đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài luận án là xây dựng được một chương trình mô phỏng
động lực học quay vòng máy kéo, cho phép khảo sát ảnh hưởng của một số yếu
tố sử dụng và kết cấu đến tính chất chuyển động vòng của máy kéo bánh trong
điều kiện sản xuất nông nghiệp.
Nhiệm vụ của đề tài luận án là nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học
quá trình chuyển động vòng của máy kéo bánh, có tính đến đặc tính làm việc của
động cơ, đường truyền lực và đặc biệt là quan hệ đất – bánh xe và ảnh hưởng của
máy nông nghiệp. Mô hình có thể được mô phỏng bằng toán học và giải được
bằng các phương pháp hiện đại trên máy tính số, nhằm tăng khả năng khảo sát
nhiều phương án và rút ngắn thời gian cũng như chi phí nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là máy kéo 4 bánh một cầu chủ động,
loại MK sử dụng phổ biến và rất phù hợp với sản xuất nông nghiệp nước ta.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng và kết cấu đến quỹ đạo
chuyển động của MK có ý nghĩa thực tiễn là góp phần xây dựng một phương
pháp xác định các thông số tối ưu, đảm bảo khả năng làm việc của liên hợp máy
và chất lượng chuyển động cao nhất của nó trong những điều kiện nhất định.
Đồng thời qua đó có thể đưa ra một số hướng dẫn hoặc khuyến cáo trong sử dụng
để khai thác máy kéo có hiệu quả nhất.
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.

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
và góc lệch bên của bánh xe trên một số loại đất nông nghiệp điển hình. Mô hình
bánh xe đã xây dựng có thể kết nối với mô hình phẳng bất kỳ mô tả động lực học
chuyển động của MK hoặc MNN tự hành.
- Phương pháp thực nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động của MK bằng
sử dụng sensor V1-Datron đã đề xuất, khá chính xác và phù hợp với điều kiện
MK và MNN tự hành chuyển động trên đồng ruộng hoặc trên đường.