Nghiên cứu tính năng kéo bám của hệ thống di động xích máy nông nghiệp tự hành

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

ĐÀO HỮU ĐOÀN



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



CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 62 52 01 03


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ
2. PGS.TS. NÔNG VĂN VÌN




HÀ NỘI – 2015

i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
dùng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được

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

giáo viên Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Ban Giám hiệu và các
đơn vị, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Giám hiệu và các đơn vị,
Trường Cao đẳng Nghề Bắc Giang đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều
kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và đặc
biệt các thành viên trong gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ và động viên để tôi hoàn
thành bản luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận án



Đào Hữu Đoàn





iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi
Danh mục bảng x
Danh mục hình xi
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

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

2.2.2 Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho mô hình nghiên
cứu lý thuyết 52
2.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất kéo bám của máy kéo
xích với hệ thống di động xích cao su 59
2.3 Kết Luận chương 2 63
Chương 3 MÔ HÌNH LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT KÉO BÁM
CỦA MÁY KÉO XÍCH CAO SU 65
3.1 Đặt vấn đề 65
3.2 Mô hình lý thuyết xác tính chất kéo bám của hệ thống xích cứng 67
3.2.1 Mô hình vật lý 67
3.2.2 Mô hình toán 69
3.3 Mô hình xác định tính chất kéo bám của hệ thống di động xích cao su 77
3.3.1 Tính phân bố áp suất tiếp xúc dưới dải xích cao su p’
i
(X) 77
3.3.2 Tính lực đẩy P’
k
79
3.3.3 Tính lực cản lăn P’
f
80
3.3.4 Tính độ lệch của tâm áp lực e’
0i
80
3.3.5 Phương trình cân bằng công suất và hiệu suất kéo 80
3.4 Lưu đồ tính 81
3.5 Khảo sát tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su thiết kế mới B2010 83
3.5.1 Thông số kỹ thuật của xe 83
3.5.2 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc loại đất 84
3.5.3 Một số kết quả mô phỏng tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su 85

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

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 136
1 Kết luận 136
2 Để nghị 137
Danh mục công trình đã công bố liên quan đến luận án 138
Tài liệu tham khảo 139
Phụ lục 145


vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tên gọi Đơn vị

τ

Ứng suất cắt của đất kPa
α

Góc lệch tâm của bánh sau Rad
σ

Ứng suất pháp của đất kPa
η

Hiệu suất kéo %
γ
s
Trọng lượng riêng của đất N/m
3

β

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

c
1
Hệ số mũ lún trượt phụ thuộc loại đất tương tác với xích -
c
2
Hệ số mũ lún trượt phụ thuộc loại đất tương tác với xích -
CI Chỉ số nón
e Độ lệch của tọa độ trọng tâm xe m
e
0
Độ lệch tâm tương đối của phản lực đất Z m
E
1
Năng lượng do lực P
1
gây ra kNm/s
E
2
Năng lượng do lực P
f
gây ra kNm/s
E
3
Năng lượng do lực P
k
gây ra kNm/s
E
4
Năng lượng do lực P

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

Hệ số lún 2 phụ thuộc loại đất tương tác với xích -
K
pc,
K
pq
Hệ số hàm góc ma sát trong của đất
K
r

Tỷ lệ của ứng suất tiếp dư
τ
r
trên ứng suất tiếp tối đa
τ
max


K
ω
Khoảng trượt ở ứng suất tiếp đạt cực đại
τ
max


m
c
Hệ số kết dính phụ thuộc loại đất tương tác với xích kPa
m
f
Hệ số ma sát phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

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
γ


p 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

P
f
Lực cản nén tác động theo chiều ngang tại độ sâu z phần
trước của xích
kN
p
f0
Áp suất tiếp xúc tĩnh dưới điểm trước tiên của phần chính dải xích kPa
P
fb
Lực thành phần của lực đẩy P
k
tác dụng lên đỉnh mấu phần bánh
dẫn hướng
kN
P
k
Tổng lực đẩy tác dụng vào dải xích chưa biến dạng kN

viii

p
m
Áp suất tiếp xúc trung bình dưới dải xích kPa
P
m
Lực chủ động có ích tác động theo chiều ngang qua điểm
đặt lực ở móc kéo
kN
P

mb
Lực thành phần của P
k
tác dụng lên đỉnh mấu phần chính dải xích kN
P
ms


Lực 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

P
sf
Lực thành phần của P
k
tác dụng lên cạnh mấu phần bánh sau kN
R
c

Lực cản đất

kN
RCI Chỉ số nón danh nghĩa
R
f
Bán kính bánh dẫn hướng m
RI Chỉ số nén lại
R
k
, Bán kính chia của bánh sao chủ động m
R
r
Bán kính bánh sau m
s
0
Độ lún tĩnh của dải xích m
s
0
(X) Độ lún tĩnh tại điểm khảo sát X m
s
f0

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

Lực phá hoại cắt tổng đối với một xe xích kN
w
s
Trọng lượng theo chiều dài của đất N/m
Z Phản lực pháp tuyến của đất kN
z
0
Chiều sâu lún m
Z
p
Thành phần lực tác dụng vuông góc với hàng của bánh đè kN


x
DANH MỤC BẢNG

TT Tên bảng Trang
3.1 Thông số kỹ thuật máy kéo xích cao su B2010 84
4.1 Kết quả thí nghiệm lún tĩnh s
0
<=h 102
4.2 Kết quả thí nghiệm lún tĩnh s
0
>h 102
4.3 Kết quả thí nghiệm đo lực kéo P
k
và chiều dài trượt của mấu xích
tương ứng j khi G= 10507 N 103
4.4 Kết quả thí nghiệm đo lực kéo P
k

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

vô hạn dưới mặt tựa của xích, b) ứng suất tại một điểm trong môi
trường đàn hồi nửa vô tận chịu tải dải đều 15

1.8 Tiêu chuẩn phá hỏng Mohr-Coulomb. 17

1.9 Tấm cắt hình chữ nhật và hình khuyên đo các thông số bền cắt của đất 17

1.10 Phá hỏng chủ động và bị động của đất 18

1.11 Quan hệ tải - lún của một móng dưới điều kiện đất khác nhau 19

1.12 a) Sự phá hỏng mẫu dưới một tải dải, (b) các lực tác động vào móng 20

1.13 Biến đổi của hệ số khả năng chịu lực Terzaghi với ma sát trong của đất 21

1.14 Một mô hình đơn giản để dự đoán xe xích 24

1.15 Sơ đồ thiết bị đo tính chất đất 25

1.16 quan hệ áp suất-độ lún cho các loại đất khác nhau đồng nhất 26

1.17 Phản ứng với tải vuông góc lặp lại của đất hữu cơ (lầy) 27

1.18 Hoạt động cắt của xích và bánh xe vành cứng có mấu bám 27

1.19 Mối quan hệ ứng suất tiếp- biến dạng cắt: Dụng cụ cắt là xích cứng
kích thước 13,2 x 71,1 cm trong đất cát 28

1.20 Đường cong cắt dạng hàm số mũ đơn giản 28

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


xii

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

2.9 Sơ đồ thí nghiệm máy kéo trên đồng 61

2.10 Sơ đồ kết nối các thiết bị đo với bộ gom và máy tính 62

2.11 Sơ đồ khối đọc số liệu từ các tệp số liệu thí nghiệm trên Dasylab 62

3.1 Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo 68

3.2 a) Ứng suất chống nén và chống cắt của đất, b) biểu đồ biến dạng
cắt của đất 69

3.3 Phân bố áp suất p
0
(X) và độ lún s
0
(X) của trường hợp s
r0
≥ s
f0
≥ h 70

3.4 Trượt trong chế độ chủ động của xe xích 72

3.5 Xác định lực cản do nén đất 75

3.6 Lực tác dụng lên xích cao su 78

3.7 Sơ đồ tính hiệu suất kéo của xe xích mềm (ở chế độ chủ động) 82

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
87


xiii

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

m
, b) Các
đường biểu diễn công suất E tương ứng ba mức trọng lượng xe G 91

3.14 Các đường biểu diễn hiệu suất η
k
tương ứng ba mức trọng lượng xe G 92

3.15 a) Các đường biểu diễn độ lún s
0i
, b) Các đường biểu diễn áp suất
tiếp xúc p
i
tương ứng ba trường hợp cấu tạo xích khác nhau 93

3.16 a) Các đường biểu diễn lực đẩy P
k
và lực kéo có ích P
m
, b) các
đường biểu diễn công suất E tương ứng ba trường hợp cấu tạo xích
khác nhau 94

3.17 Các đường biểu diễn hiệu suất η
k
tương ứng ba trường hợp cấu tạo
xích khác nhau 94

3.18 a) Các đường biểu diễn độ lún s
0i

, 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

3.21 Các đường biểu diễn: a) độ lún s
oi
, b) áp suất tiếp xúc p
i
tương ứng
ba trường hợp khoảng cách bánh đè xích lền kề l
p
khác nhau 98

3.22 Các đường biểu diễn lực đẩy P
k
, và lực kéo có ích P
m
tương ứng ba
trường hợp khoảng cách bánh đè xích l
p
khác nhau 99

3.23 a) Các đường biểu diễn công suất E
1
, E
2
, E
3
, E
4
, b) hiệu suấtη
k


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 105


xiv

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

4.7 Sơ đồ xác định chiều cao trọng tâm h
g
114

4.8 Sơ đồ đo kiểm tra giãn đoạn AB của xích 116

4.9 Sơ đồ thí nghiệm máy kéo trên đồng ruộng 116

4.10 Sơ đồ bố trí các cảm biên đo trên máy kéo thí nghiêm 117

4.11 Thiết bị đo lực kéo Z4 118

4.12 Thiết bị đo mômen xoắn 119

4.13 Cảm biến quang học E3F3 đo tốc độ quay 119

4.14 Thiết bị Spider 8 120

4.15 Cấu tạo của 2 trục 1-đầu nối; 2- thân lắp buly, 3- thân lắp với 2 ổ bi
trong ổ đỡ của gối đỡ 122

4.16 Giá và gối đỡ ổ bi của khâu trung gian 123

4.17 Lắp thiết bi đo mô men với 2 trục trung gian 124

4.18 Lắp đặt thiết bị đo mo men trên xe xích thí nghiệm 124

4.19 Đồ thị kết quả đo được trên xe thí nghiệm 127

4.20 Sơ đồ truyền mô men của bộ truyền đai thang 128

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

so với máy kéo bánh nên chúng thường được sử dụng với các công việc cần khắc
phục lực cản lớn như sản, ủi, cày ngầm v.v hoặc ở những nơi nền đất yếu mà
máy kéo bánh không di động được do trượt và lún như làm đất, gặt đập liên hợp
trên đất ruộng nước hoặc đất độ ẩm cao.
Cùng với những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực vật liệu cũng như công nghệ
chế tạo, xích cao su có giá thành rẻ hơn nhiều so với xích kim loại vì vậy trong sản
xuất nông lâm nghiệp, máy kéo xích cao su ngày càng được ứng dụng phổ biến.
Hiện nay ngành công nghiệp chế tạo ô tô máy kéo nói chung ở nước ta còn
khá non trẻ, phần lớn máy kéo và ô tô phục vụ trong nước được nhập từ nước ngoài.
Ô tô được tính toán và chế tạo để chuyển động trên đường giao thông, tiêu
chuẩn về đường giao thông giữa các quốc gia là khá thống nhất, khi chúng ta hội
nhập với quốc tế, vì vậy việc nhập ô tô của các nước trên thế giới hoàn toàn có
thể làm việc có hiệu quả như nhau trong điều kiện đường xá của Việt Nam, tuy
nhiên máy kéo nói chung lại làm việc trên đồng, phụ thuộc vào đặc điểm thời
tiết, khí hậu, địa hình đất đai cũng như tập quán canh tác mà việc nhập máy kéo
phục vụ nông lâm nghiệp không phải lúc nào cũng cho hiệu quả như nhà thiết kế
chế tạo đặt ra.



2
Nghiên cứu khai thác cũng như nghiên cứu cải tiến thiết kế và chế tạo máy
kéo nông nghiệp cần thấy rõ điều kiện sản xuất nông nghiệp ở nước ta có những
đặc thù riêng, trước hết đặc điểm địa hình và tính chất cơ lý của đất ở các vùng là
rất khác nhau (Nguyễn Điền và Nguyễn Đăng Thân, 1984; Phạm Huê và Nguyễn
Văn Hồng, 1979). Đồng bằng Nam bộ diện tích đất canh tác rộng, dễ dàng cho
việc thực hiện cơ giới hoá nông nghiệp bằng những loại máy kéo lớn. Nhưng ở
đồng bằng Bắc bộ, vùng núi phía bắc và duyên hải miền trung thì diện tích đất
canh tác ít, các thửa ruộng được chia nhỏ (Nguyễn Đăng Thân, 1980). Do đó rất
khó cho việc đưa các loại máy kéo lớn vào sản xuất mà thường sử dụng các loại

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

đến tính chất kéo bám của máy kéo xích từ đó góp phần hoàn thiện các thông số
kết cấu đối với máy kéo xích cao su chế tạo trong nước.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là xác định tính chất kéo bám của hệ
thống di động xích cao su trên máy kéo mới thiết kế và chế tạo trong nước (mẫu
thử nghiệm - B2010) khi máy kéo này làm việc trên đất phù xa sông Hồng.
4. Nhiệm vụ của luận án
Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý và mô hình toán phản ánh tương tác
giữa hệ thống di động xích cao su của máy kéo với đất nông nghiệp. Mô phỏng
tính chất kéo bám của hệ thống di động xích có kể đến các tính chất đặc trưng
của đất cũng như các thông số kết cấu của máy. Sử dụng phương pháp tính hiện
đại với trợ giúp của máy tính số, nhằm tăng khả năng khảo sát với nhiều phương
án khác nhau khi thay đổi các thông số số kết cấu và điều kiện sử dụng.
Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để lấy một số thông số đầu vào cho mô
hình toán cũng xác định bằng thực nghiệm tính chất kéo bám của máy kéo xích từ đó
kiểm tra một vài tính chất kéo bám để đánh giá độ tin cậy mô hình nghiên cứu lý thuyết.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Tính chất kéo bám của máy kéo là một trong những tính chất quan trọng
nhất của máy kéo. Việc nghiên cứu thành công luận án không chỉ dùng để đánh giá
tính chất kéo bám của đối tượng nghiên cứu là máy kéo xích cao su B2010 mới
chế tạo ở trong nước, mà ý nghĩa khoa học của luận án chính là cơ sở khoa học cho
việc lựa chọn các thông số hợp lý về kết cấu của máy kéo xích cũng như tối ưu hóa
một số thông số cơ bản của máy kéo xích cao su chế tạo ở điều kiện Việt Nam.
Luận án “Nghiên cứu tính năng kéo bám của hệ thống di động xích
máy nông nghiệp tự hành” là một công trình nghiên cứu sâu về tính chất



4
kéo bám của hệ thống di động xích cao su trên các máy nông nghiệp tự hành. Mặc

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.

5
- Bằng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đã xác định được một số tính
chất kéo bám cơ bản của máy kéo xích cao xu trên đất phù xa sông Hồng như độ
trượt, lực chủ động, lực kéo, hiệu suất kéo v.v cũng như một số thông số đặc
trưng cho đất phù xa sông Hồng như ứng suất tiếp, ứng suất pháp, các hệ số của
các đường cong ứng suất và một số hệ số như hệ số cản lăn, hệ số bám của máy
kéo xích cao su cho chuyên ngành.




6
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1. Tính chất cơ lý của đất
1.1.1. Các tính chất vật lý của đất
1.1.1.1. Thành phần của đất
a) Hạt đất:
Hạt đất là thành phần chủ yếu của đất. Khi lực tác dụng bên ngoài lên mặt
đất thì các hạt đất cũng chịu lực, lực được truyền rộng ra xa và xuống sâu. Tập
hợp các hạt đất là khung cốt của đất.
b) Nước trong đất:
Nước là thành phần thứ hai của đất gọi là pha lỏng, thường có các dạng.
Nước trong khoáng vật của hạt đất.
Nước kết hợp với mặt ngoài của hạt đất.
Nước tự do.
1.1.1.2. Các chỉ tiêu tính chất của đất
a) Trọng lượng thể tích của đất

- 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

lỗ trống,
- Trọng lượng thể tích đẩy nổi:



7
Trọng lượng thể tích đẩy nổi là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở
dưới nước.
3
s s
dn
Q V
(kN / m )
V
ω
− γ
γ =
(1.3)
γ
ω
−Trọng lượng đơn vị của nước , Q
s
–Trọng lượng của hạt đất, V
s
–Thể
tích của hạt đất.
- Trọng lượng thể tích khô
Trọng lượng thể tích khô γ
d
là trọng lượng của hạt đất trong một đơn vị thể

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)

b) Độ rỗng và hệ số độ rỗng của đất
Độ rỗng n là tỷ số thể tích phần rỗng V
r
so với thể tích toàn bộ mẫu đất V.
r
V
n .100%
V
=
(1.6)
Hệ số rỗng e là tỷ số thể tích phần rỗng V
r
so với thể tích phần hạt của mẫu
đất V
s
.
r
s
V
e
V
=
(1.7)
Giữa hai chỉ tiêu này có liên hệ sau:
e
n
(1 e)
=
+
;

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
=

(1.8)
Để xác định độ ẩm của đất người ta làm thí nghiệm trong phòng
- Độ bão hòa nước:
Độ bão hòa S
r
là tỷ số thể tích nước trong đất với thể tích lỗ rỗng của đất:
w
r
r
V
S
V
=
(1.9)
Khi S
r
=0 -Đất khô
Khi 0<S
r
<1 -Đất ở trạng thái 3 pha
Khi S
r
=1 -Đất bão hòa nước
1.1.2. Các tính chất cơ học của đất
1.1.2.1. Khả năng chống nén của đất
Để nghiên cứu khả năng chống nén của đất thường người ta sử dụng thiết
bị chuẩn để ép đầu đo vào trong đất (hình 1.1).

Hình 1.1. a) Thiết bị đo độ chặt của đất , b) Đặc tính nén của đất

S
s
N
h
S
N
=
σ
h
σ
σ
max
0
h
*

I

II

II
0
σ

a)
b)



9

Quan hệ giữa ứng suất pháp tuyến σ và biến dạng h trong quá trình nén
được thể hiện trên hình 1.2. Giá trị cực đại σ
max
và độ sâu tương ứng là h
*
phụ
thuộc vào loại đất và trạng thái vật lý của đất. Do vậy σ
max
thường được sử dụng
để đánh giá khả năng chống nén hay khả năng mang tải của đất (Xưtôvich, 1983;
Đỗ Bằng và Nguyễn Công Mẫn, 1987).
Khi chỉ nghiên cứu vùng quan hệ tuyến tính có thể sử dụng công thức đơn
giản nhất:
σ = kh, (1.10)
Trong đó k - hệ số biến dạng thể tích, N/m
3
, phụ thuộc vào tính chất cơ lý
của đất; h- chiều sâu lún của đầu đo.
Khí xét mối quan hệ đầy đủ giữa ứng suất và biến dạng, nhiều tác giả đã
đưa ra các quan hệ sau:
Nguyễn Điền (1998) đã đề xuất hàm số mũ:
n
hk
b
k







+=
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

là ứng suất giới hạn của đất khi nén đất bằng đầu đo, Pa; k
− hế số biến dạng thể tích, N/m
3
; h- độ biến dạng của đất.
1.1.2.2. Khả năng chống cắt của đất
Các yếu tố cơ bản để tạo ra lực chống cắt của đất là các thành phần lực
liên kết phân tử và lực liên kết do sức căng bề mặt và lực nội ma sát trong đất
(Nguyễn Bảng, 1995).
Quá trình cắt đất được mô tả như hình 1.2 trong đó mối quan hệ giữa biến
dạng δ và ứng suất tiếp τ có dạng như đồ thị trên hình 1.2 c.