tóm tắt luận án 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 bánh dùng trong nông nghiệp

1

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


TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ




HÀ NỘI – 2014

2


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bùi Hải Triều
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

Phản biện 1: GS.TS. Phạm Minh Tuấn
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Phản biện 2: PGS.TS. Đặng Tiến Hòa
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Nhật Chiêu
Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường
Họp tại Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014


Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Quốc gia
2. Thư viện Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

3

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tính chất chuyển động vòng là một trong những tính chất làm việc
quan trọng của máy kéo (MK) dùng trong nông nghiệp. Quỹ đạo và sự ổn
định chuyển động của máy kéo nông nghiệp (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.
Để thiết kế tốt và sử dụng có hiệu quả các liên hợp máy, trước hết cần
nghiên cứu phân tích rõ ảnh hưởng của các thông số kết cấu và yếu tố sử
dụng đến các đặc trưng chuyển động vòng của máy kéo. Đây là lĩnh vực còn
ít được quan tâm và rất ít kết quả nghiên cứu được công bố ở Việt Nam.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên, tác giả luận án đã chọn đề tài
“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” làm
đề tài nghiên cứu của mình với mong muốn góp phần lấp đầy khoảng trống
tri thức nói trên.
2. Mục tiêu của đề tài luận án
Mục tiêu của đề tài luận án là xây dựng được một chương trình mô
phỏng động lực học quay vòng MK, 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 (SXNN).
3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Từ 2011 đến 2013, tại Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Góp phần xây dựng một phương pháp xác định các thông số tối ưu

của MK 4 bánh, làm luận cứ khoa học cho việc thiết kế MK mới, cải tiến
MK đã có, lựa chọn trang bị hệ thống MK phù hợp, đồng thời định hướng
khai thác sử dụng chúng có hiệu quả và an toàn nhất trong điều kiện VN.


4

- Phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu lí thuyết cũng như
thực nghiệm cũng đóng góp bổ sung cho công tác đào tạo đại học và sau đại
học trong lĩnh vực liên quan.
5. Những đóng góp mới của đề tài luận án
- Luận án đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong nghiên cứu tính
chất chuyển động vòng của MKNN, đó là xây dựng mô hình mô phỏng và
khảo sát động lực học MK theo phương ngang trong tương tác phức tạp
giữa động cơ – truyền lực – di động – máy nông nghiệp, trong đó chú trọng
mối quan hệ giữa bánh xe và đất nông nghiệp.
- 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. 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 đã xây dựng là một mô hình bán thực nghiệm, có
thể kết nối với mô hình phẳng bất kỳ mô tả động lực học chuyển động của
MK hoặc MNN tự hành có trang bị bánh xe cùng loại.
- Đề xuất phương pháp thực nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động của
MK bằng sử dụng sensor V1-Datron, khá chính xác và phù hợp với điều kiện ô
tô, MK và MNN tự hành chuyển động trên đường hoặc trên đồng ruộng.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát về tình hình phát triển máy kéo nông nghiệp ở nước ta
Hệ thống MK ở nước ta, cả máy nhỏ và máy lớn phần lớn là có nguồn
gốc nhập ngoại, chủ yếu mang tính tự phát vì dường như chưa có những cứ

liệu khoa học và những quy định pháp lý trong lựa chọn.
Công nghệ chế tạo MK, đặc biệt là MK 4 bánh của nước ta còn rất
non kém, chủ yếu là chép mẫu các máy nhỏ, đơn giản và chưa đáp ứng được
nhu cầu phát triển cơ giới hoá trước mắt và lâu dài. Vì vậy nhất thiết phải
đầu tư nghiên cứu từ thiết kế sơ bộ đến thiết kế hoàn thiện MK.


5

1.2. Khái quát về tính chất chuyển động vòng của máy kéo bánh
Tính chất chuyển động được định nghĩa là tính chất tổng quát của hệ
thống “Người lái - Xe - Môi trường” (hình 1.1). Theo Mischke (1990), để
đánh giá được hệ thống kín này trước hết cần phải đánh giá hệ thống hở (tức
không có mạch liên hệ ngược). Qua hệ thống hở, có thể xác định được các
phản ứng của MK khi có các yếu tố điều khiển hoặc kích động bên ngoài
khác. Mặt khác các số liệu về tính chất chuyển động nhận được từ các mô
phỏng chuyển động không có tác động của người lái (thực ra là các tác động
này đã được thay thế bằng hàm góc quay vành lái, thậm chí cả hàm ga) sẽ
mô tả một cách khách quan tính chất chuyển động của MK.



Hình 1.1. Mô
hình hệ thống
điều khiển
mạch kín của
ô tô máy kéo

Nghiên cứu động lực học hướng chuyển động, trước hết và chủ yếu là
nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô máy kéo (Nguyễn Khắc Trai,

1997). Khi xem xét quỹ đạo chuyển động, vấn đề luôn luôn được đặt ra dưới
dạng chuyển động vòng tổng quát, trong đó chuyển động thẳng chỉ là một
trường hợp đặc biệt.
1.3. Thành tựu nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy kéo
trong và ngoài nước
Ở các nước phát triển, nghiên cứu các tính chất chuyển động của MK
đã đạt trình độ cao, các nhà khoa học đã giải quyết thành công các bài toán
điều khiển lập trình hoặc lái tự động theo GPS. Tuy nhiên điều kiện đất đai
Người lái
Đ
ộng c
ơ

Truyền lực
Phanh, Lái
MÁY
KÉO
Ảnh hưởng
mặt đường
Q
u
ĩ đạo cần theo

(yêu cầu)
Qu
ĩ đạo
hiện tại
(k
ết quả

điều khiển)
Liên h
ệ ng
ư
ợc

Nhiễu ngoài


6

canh tác lúa nước ở Việt Nam luôn là thách thức to lớn cho việc giải quyết
vấn đề di động của các loại MK và MNN tự hành.
Từ nhiều năm nay, các nhà khoa học trong nước chủ yếu tập trung
nghiên cứu cải thiện tính chất kéo bám cho MKNN, nghiên cứu dao động
thẳng đứng cho MK vận chuyển hoặc ổn định lật đổ cho các MK đồi dốc.
Theo những thông tin có được, có thể nói rằng những kết quả nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm về tính chất chuyển động của MK ở nước ta
còn rất hạn chế và, hầu như chưa có công bố kết quả nghiên cứu động lực
học theo hướng ngang của MK, nhất là MKNN.
Trong phần Tổng quan còn phân tích ưu nhược điểm của nhiều mô
hình nghiên cứu đặc tính bánh xe cũng như mô hình khảo sát tính chất
chuyển động của toàn xe, nhằm lựa chọn mô hình nghiên cứu phù hợp nhất.
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
- Lựa chọn và xây dựng mô hình ĐLH chuyển động của MK bánh.
- Thiết kế, chế tạo các thiết bị thí nghiệm xác định các tham số vào
của mô hình và đặc tính của một số phần tử chính của mô hình.
- Mô phỏng tính chất chuyển động vòng của MK trên máy tính số.
- Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu và sử dụng đến tính

chất chuyển động vòng của MK bánh dùng trong nông nghiệp.
- Thí nghiệm nhằm kiểm chứng mô hình bánh xe và kiểm chứng mô
hình toàn xe trong điều kiện thực tế.
2.2. Phương pháp nghiên cứu đã áp dụng
2.2.1. Phương pháp mô hình hoá
Luận án sử dụng phương pháp mô hình hóa để mô tả các phần tử
chính (động cơ, bánh xe, MNN) và toàn bộ máy kéo bằng các mô hình toán
học, trong khi vẫn đảm bảo giữ nguyên bản chất vật lí của cơ hệ.



7

2.2.2. Phương pháp mô phỏng số kết hợp mô phỏng thực nghiệm
Phần mềm mô phỏng MatLab/Simulink được ứng dụng để giải bài
toán nghiên cứu, trong đó hầu hết các thông số đầu vào đều được xác định
từ thực nghiệm hoặc từ các mô phỏng thực nghiệm.
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Luận án đã xây dựng được các phương pháp thực nghiệm như:
- Thực nghiệm xác định mô men quán tính của các máy kéo
- Khảo nghiệm động cơ để xác định nhanh đặc tính mô men
- Thí nghiệm xây dựng đặc tính bánh xe máy kéo
- Xây dựng quỹ đạo chuyển động vòng thực tế của máy kéo
2.2.4. Phương pháp đánh giá tính chất chuyển động vòng của máy kéo
- Đánh giá tính chất động lực học chuyển động vòng
- Các thông số đặc trưng cho quá trình quay vòng ổn định
- Khả năng đáp ứng của MK với quỹ đạo chuyển động cho trước
Chương 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP
3.1. Lựa chọn mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo

Trong nghiên cứu động lực học ô tô máy kéo bằng kỹ thuật mô hình
hóa, vấn đề quan trọng là mô hình xây dựng phải phản ánh được những đặc
trưng cơ bản nhất của cơ hệ, có thể xây dựng được chương trình giải và
khảo sát linh hoạt. Ngoài ra, phải kiểm chứng được bằng thực nghiệm.
Cần lựa chọn một mô hình sao cho có số bậc tự do ít nhất có thể được
mà vẫn cho kết quả phù hợp về các mối quan hệ động lực học của hệ trong
một miền đủ rộng. Theo quan điểm đó, chọn mô hình phẳng một vết.
3.2. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo
Để nghiên cứu tính năng quay vòng của máy kéo bánh một cách khái
quát nhất, cần lập sơ đồ tính toán quay vòng máy kéo bánh có hai cầu chủ
động, với các bánh xe trước là các bánh xe dẫn hướng (hình 3.1).


8

0
X

0
Y

yF
F
F
LF
F
xR
F

yR

F

LT
F


mv



x

y

O

T

A

B

F
l
l
R
l

F
v

R
v
v
v

R


F








R
L
F

xF
F



M
F

M

l
c
M

Hình
3.1.
Sơ đ
ồ một vết nghi
ên c
ứu tính chấ
t chuy
ển động
vòng c
ủa máy kéo 4x4

Như vậy các MK có một cầu chủ động chỉ là trường hợp riêng.

3.2.1. Các giả thiết chính đặt ra khi xây dựng mô hình nghiên cứu
- Máy kéo chuyển động trên mặt đồng bằng phẳng, bỏ qua dao động
thẳng đứng, bỏ qua chuyển động vặn và chuyển động lật.
- Các lực tác dụng trong mặt phẳng ngang song song với mặt đường không dốc.
- Trọng tâm của MK nằm trên mặt phẳng chuyển động. Coi sự phân bố
lại trọng lượng trên các cầu và trên các bánh xe trái phải khi chuyển động
vòng là không đáng kể.
- Hai bánh xe trên mỗi cầu được quy đổi thành một bánh xe tương
đương đặt tại điểm giữa cầu. Qui ước góc quay trung bình của các bánh dẫn
hướng trước là =(t), trong tính toán đặt tại điểm giữa của cầu trước.
- Bỏ qua các góc đặt bánh xe dẫn hướng.


9

cos
os



R
R
v
v
c
. .
. .
cos cos cos sin ( )sin cos

cos sin sin cos cos sin sin
( sin sin cos )


       
        
   
 
 
       
      
    









F F E F XF F
R R E R XR R
XR LR XF LF YF M
YR XF LF YF M
Z XF LF YF F YR R M
J M i i F r
J M i i F r
mv F F F F F mv F
mv F F F F mv mv F

J F F F l F l F
R
sin ( )









   

M R C z zF
l l M M M
3.2.2. Hệ thống phương trình vi phân trong chuyển động vòng
Từ mô hình động lực học chuyển động hình 3.1 có thể xây dựng hệ
phương trình vi phân chuyển động của MK hai cầu chủ động trong mặt
phẳng ngang như dưới đây. Kí hiệu chỉ số “F” cho cầu trước, chỉ số “R” cho
cầu sau.
(3-1)


Hai phương trình đầu mô tả tính chất truyền lực từ động cơ đến các
cầu chủ động còn ba phương trình sau mô tả chuyển động của thân xe trong
mặt phẳng ngang. Để giải được hệ phương trình (3-1) cần thiết phải xác
định các quan hệ động học bổ sung và xây dựng mô hình động lực học của
các phần tử chính trong hệ thống.
3.2.3. Các quan hệ động học bổ sung

Góc lệch bên của các cầu:
(3-2)

Vận tốc dài của bánh chủ động sau: (3-3)

Vận tốc dài của bánh xe dẫn hướng: (3-4)
3.2.4. Mô hình động cơ máy kéo
Đặc tính N
e
=f(n
e
) và M
e
=f(n
e
) của D-240 (trên MK MTZ-80) và YM-
3T84 (trên MK Yanmar-3000) được xây dựng bằng phương pháp phanh tạo
tải trên trục trích công suất (PTO) của MK nhờ bệ thử thủy lực F-4000 của
Mỹ. Phương trình đường đặc tính mô men được biểu diễn như sau:
Đối với động cơ D-240:

20,59 5000,6
E E
M

  

(3-5)
cos
os( )

F
F
v
v
c

 


sin sin
; ( )
cos cos
R F
R F
l v l v
tg tg
v v
   
  
 
 
  
 


10
Đối với động cơ YM-3T84:
- Với mức ga 100%:
7,01 2029,1
E E

M

  
(3-6)
- Với mức ga 50%:
5,86 1380,5
E E
M

  
(3-7)
Khi MK quay vòng, lực cản có thể tăng lên chút ít nhưng do bơm
nhiên liệu cao áp được trang bị bộ điều tốc li tâm mọi chế độ, nên động cơ
lại nhanh chóng thiết lập điểm làm việc mới mà không phải về số.
3.2.5. Mô hình hệ thống truyền lực
Sơ đồ truyền lực và kết cấu vi sai của máy kéo bánh và ô tô có ảnh
hưởng nhất định đến tính chất chuyển động vòng của xe. Tuy nhiên, trong rất
nhiều công trình nghiên cứu về tính chất chuyển động của ô tô máy kéo với
mô hình phẳng, các tác giả đều giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của các biến dạng
trong hệ thống truyền lực, bỏ qua ảnh hưởng của phân bố lại mô men theo
tình trạng bám giữa các cầu và giữa các bánh xe chủ động cùng cầu.
Giả thiết này có thể chấp nhận được vì MK cỡ nhỏ thường được trang
bị bộ vi sai đơn giản. Với MK có vi sai tự gài thì phải tính mô men cản M
cVS
.
Do đó mô hình hệ thống truyền lực trở nên đơn giản hơn, chỉ là mô tả
sự phân chia và biến đổi mô men đến các cầu chủ động theo kết cấu (tỉ số
truyền) của MK nghiên cứu và được biểu diễn bởi hai phương trình đầu tiên
của hệ phương trình (3-1).
3.2.6. Mô hình bánh xe máy kéo trên đất nông nghiệp

Bánh xe - phần tử kết nối giữa máy kéo và mặt đồng - là phần tử quan
trọng đặc biệt của mô hình mô phỏng. Mô hình bánh xe MKNN đã được
xây dựng trên cơ sở phát triển mô hình Burckhardt, theo đó kết hợp giữa lý
thuyết Kamm với các kết quả thực nghiệm theo phương dọc của bánh xe
trên đất. Các thí nghiệm xác định tham số cũng như thực nghiệm kiểm
chứng mô hình đều được thực hiện trên thiết bị thí nghiệm bánh xe máy kéo
WTD-2 do chính nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo.
Quan hệ giữa hệ số bám tổng hợp 
R
và độ trượt tổng hợp S
R
:


11
2
1 3
(1 )
R
C S
R R
C e C S


  
(3-8)
với:
2 2
R x y
S S S

  (3-9)
Trong đó S
x
, S
y
, S
R
lần lượt là độ trượt dọc, độ trượt ngang và độ trượt
tổng hợp của bánh xe.
- Bánh xe chủ động:
2 2 2 2 2
(1 )
RR xR yR xR R xR
S S S S tg S

     (3-10)
- Bánh xe bị động:
2 2 2 2 2
(1 )
RF xF yF xF F xF
S S S S tg S

     (3-11)
Hệ số bám dọc và hệ số bám ngang khi đó được tính theo công thức:
(3-12)

Các công thức (3-8) và (3-9) thỏa mãn trong toàn vùng [0(S
x
;S
y

)1],
do đó các hệ số C
1
, C
2
, C
3
có thể được xác định dễ dàng trong trường hợp
S
y
=0. Có nghĩa là chỉ cần tổ chức thí nghiệm kéo bám để xác định độ trượt
của bánh xe theo phương dọc. (Trong thực tế, việc xác định độ trượt theo
phương ngang khá phức tạp và khó nhận được kết quả chính xác).
Khi đó =0 nên S
y
=0 và 
y
=0, do đó S
R
=S
x
và 
R
=
x
.
Đồng thời, cũng trên cơ sở số liệu thực nghiệm, có thể xác định được
các mối quan hệ giữa lực dọc, lực ngang phụ thuộc vào hệ số bám; lực cản
lăn phụ thuộc độ trượt và mô men đàn hồi trên bánh xe thí nghiệm:
0 4

; ; ( ) ;
x z x y z y L R z z y R x y
F F F F F C C S F M F n F n
 
     
(3-13)
Sau khi nhập các hệ số C
1
, C
2
và C
3
của mô hình bánh xe trên mỗi
loại đường, với mỗi trường hợp góc chuyển động lệch α khác nhau, thực
hiện mô phỏng SIMULINK trên cơ sở các công thức của mô hình
Burckhardt, dễ dàng nhận được đặc tính bám trượt theo hai phương dọc (
x
-
S
x
) và ngang (
y
-S
x
) của bánh xe MK ở các góc chuyển động lệch.
3.2.7. Lực cản kéo của máy nông nghiệp
Các MK có thể liên kết với MNN loại treo, loại móc hoặc rơ-mooc.
Trong phạm vi nghiên cứu chuyển động vòng, giả thiết trị số của lực cản
MNN không đổi, cho phép thay thế MNN bằng một véc tơ lực F
M

đặt tại
à
y
x
x R y R
R R
S
S
v
S S
   
 


12
điểm móc, có phương lệch với trục dọc của MK góc  tính theo công thức
(3-14), phụ thuộc bán kính vòng:


(3-14)


Trong đó: 
M
được tính như sau:
2 2 2
M M
l d
 
   (3-15)

3.3. Mô phỏng động lực học chuyển động của máy kéo trên đất nông
nghiệp bằng phần mềm Matlab/Simulink
Luận án chọn đối tượng nghiên cứu mô phỏng và thí nghiệm kiểm
chứng mô hình là máy kéo MTZ-80, một loại máy kéo 4x2 rất thông dụng
vì được thực tế chấp nhận do tính năng phù hợp với sản xuất nông nghiệp.
Đối với MK một cầu chủ động, hệ thống phương trình vi phân (3-1)
khi máy kéo chuyển động vòng được viết lại như sau:

(3-16)
Các quan hệ động học và động lực học bổ sung nhằm hỗ trợ việc giải
hệ (3-16) cũng được lập tương tự như trường hợp máy kéo có sơ đồ 4x4.
Sử dụng mô phỏng Matlab/Simulink để giải hệ phương trình trên. Từ
các hệ phương trình (3-16) và (3-2), tính ra được các góc lệch bên 
F
, 
R
và
độ trượt S
xF
, S
xR
. Sau đó đưa vào mô hình bánh xe (mục 3.2.6) để tính ra các
lực F
XR
, F
XF
, F
YR
, F
YF

, F
LR
, F
LF
và các mô men M
ZR
, M
ZF
. Tiếp tục đưa
chúng trở lại hệ phương trình (3-16) để tính ra các thông số đặc trưng cho
chuyển động vòng của máy kéo như
, , , , ,
   

 

v
Mô hình đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm (mục 5.3.3). Căn cứ
mục đích mô phỏng có thể kết luận mô hình mô phỏng khá tương thích và
đủ tin cậy để có thể ứng dụng khảo sát các loại máy kéo khác.


R
( ) os
.
cos cos sin ( )sin cos
cos sin cos cos sin sin
( sin cos ) sin ( )
F F XR LR XF F
R R E R XR R

XR LR XF YF M
YR XF YF M
Z XF YF F YR R M M R C z
J F F c F r
J M i F r
mv F F F F mv F
mv F F F mv mv F
J F F l F l F l l M M
 

      
       
   
  
 
      
     
        









zF
M










(ar ar )
2
M
M
ctg ctg
l d

 

  


13
Hình 4.1. Các ph
ương
án
thay đ
ổi góc lái cuối

Chương 4. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG VÒNG
CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP
Đối với khảo sát mô phỏng, cần ưu tiên trước hết dùng phương pháp

mạch hở (open-loop-test), tức là thay thế tác động của người lái bằng các
hàm tiền định, nhằm đánh giá khách quan hơn tính chất của hệ thống.
4.1. Chọn đối tượng để khảo sát
Chọn Yanmar-3000 làm đối tượng khảo sát là vì MK này có công
suất cỡ vừa (30HP), có kết cấu và các đặc tính kỹ thuật rất phù hợp với điều
kiện sản xuất nông nghiệp nước ta và được nông dân ưa chuộng.
4.2. Khảo sát động lực học chuyển động vòng
4.2.1. Phương án thay đổi góc lái cuối
Giá trị
góc lái cuối

max
trong 3
phương án
khảo sát lần
lượt là 0,5rad,
0,55rad, 0,6rad.
Kết quả
quỹ đạo và gia
tốc ngang của
trọng tâm được
thể hiện cùng trong hình 4.1. Tốc độ đánh lái
0,13 d /
ra s



là khá nhỏ
nên MK chuyển hướng chậm, tốc độ xoay thân xe không lớn nên quá trình
quá độ tương đối dài. Các phương án khảo sát với các góc lái cuối khác

nhau chỉ khác nhau ở giai đoạn vòng ổn định, thể hiện ở chỗ khi tăng góc
lái cuối thì gia tốc ngang của trọng tâm lớn hơn và bán kính quay vòng
giảm đi đáng kể.


14
Hình 4.2
. Các phương án thay đ
ổi
tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng
4.2.2. Phương án thay đổi tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng
Tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng trước được thay đổi theo ba phương
án lần lượt là 0,1rad/s, 0,13rad/s và 0,18rad/s. Giá trị góc lái cuối 
max
trong
3 phương án khảo sát đều là 0,5rad. Kết quả quỹ đạo và gia tốc ngang của
trọng tâm được thể hiện trên hình 4.2.










Với tốc độ đánh lái khác nhau nhưng giống nhau ở góc lái cuối thì chỉ
có ở giai đoạn quá độ, gia tốc ngang và bán kính cong quỹ đạo mới có sự
khác nhau, còn đến giai đoạn vòng ổn định thì bán kính quay vòng và gia

tốc ngang ở cả 3 phương án đều giống nhau.
Trong thực tế, thông thường tốc độ đánh lái và góc lái cuối hoàn toàn
do người lái cảm nhận được bán kính khúc cua để có xử lý phù hợp.
4.3. Khảo sát chuyển động vòng ổn định
Trong các khảo sát đã xây dựng các quan hệ
, , , ( )
F R y
f a
   


,
với điều kiện chỉ lấy các giá trị dừng, tức khi đã vòng ổn định (=const).
4.3.1. Trường hợp thay đổi góc lái cuối
Có 4 phương án thay đổi góc lái cuối là 
max
=0,3; 0,4; 0,5 và 0,6rad.
Khi tăng góc lái cuối thì gia tốc ngang a
y
của trọng tâm tăng nhanh do MK
vòng gấp với bán kính cong nhỏ hơn, đương nhiên tốc độ vòng


cũng


15
0,000
0,002
0,004

0,006
0,008
0,010
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
a
y
a
F
,
a
R
,
Da
a
R
D
a

a
F
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
a
y
d

y
/dt,
b



a)

b)

0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
a
y
Da
ST2
ST3
ST4
b)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5

0,6
0,7
0,8
0,0 0,5 1,0 1,5
a
y
dsi/dt
ST2
ST3
ST4
ST2
ST4
ST3
a)
tăng, kéo theo sự tăng góc chuyển động lệch bên của cả cầu trước, trọng tâm
và cầu sau máy kéo. Càng tăng a
y
thì =(
F
-
R
) càng tăng, tức là máy kéo
càng có tính quay vòng “thiếu”.
Hình 4.3. Các thông số đặc trưng thay đổi theo góc lái cuối
4.3.2. Trường hợp thay đổi tỉ số truyền
Trong khảo sát này, tiến hành thay đổi số truyền từ số II đến số IV.
Khi quay vòng MK, nếu gài số truyền càng cao thì vận tốc dọc càng lớn, lực
quán tính li tâm càng lớn gây ra các thành phần lực ngang lớn hơn, làm cho
góc chuyển động lệch của các cầu đều tăng nhanh, đồng thời gia tốc ngang
khi quay vòng ổn định a

y
=v
2
/ khá lớn, nhất là ở số truyền IV.
Điều này tăng nguy cơ gây lật đổ máy kéo.
Hình 4.4. Các thông số đặc trưng thay đổi theo số truyền


16
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
a
y
alfaF
Không MNN MNN sau
MNN trước
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
a
y
alfaR

Không MNN MNN sau MNN trước
a) b)
Hiệu số góc lệch bên của các cầu  không khác nhau nhiều giữa số
II và số III, song nếu gài sang số IV thì tính quay vòng thiếu của máy kéo
tăng lên đáng kể. Như vậy khi quay vòng máy kéo không nên gài số IV.
4.3.3. Trường hợp thay đổi phân bố trọng lượng
Hình 4.5. Góc lệch của các cầu phụ thuộc sự phân bố trọng lượng
Ảnh hưởng của trọng lượng bám đến chuyển động lệch của các cầu ở
các phương án treo MNN được thấy rất rõ qua các đồ thị trên hình 4.5.
4.4. Ảnh hưởng của đặc tính bánh xe khi làm việc trên các loại nền
Ảnh hưởng của đặc tính làm việc của bánh xe trên các loại nền đường
khác nhau đến quỹ đạo chuyển động và gia tốc ngang của trọng tâm máy kéo
được thể hiện trên hình 4.6.









Hình
4.6
.
Ảnh h
ư
ởng của đặc tính bánh xe đến quỹ
đ
ạo chuyển động v

òng
và gia t
ốc ngang



17
Với cùng vận tốc, tốc độ đánh lái và góc lái cuối, MK khi quay vòng
trên nền càng mềm thì bán kính quay vòng
càng tăng và gia tốc ngang càng giảm do sự
gia tăng chuyển động lệch của các cầu.
4.5. Khảo sát sai lệch quỹ đạo chuyển động
so với quỹ đạo cho trước
Khảo sát này nhằm kiểm tra sự đáp
ứng của MK được mô phỏng đối với khả
năng chuyển động đúng theo những quỹ đạo
đã định trước (quay vòng 180
0
hình quả lê).
Từ kết quả mô phỏng trên hình 4.7
nhận thấy nếu như trên đường asphalt mức
độ sai lệch quỹ đạo lớn nhất chỉ là 0,4m, thì
trên đất gốc rạ sai lệch lên đến hơn 1,5m do
MK bị trượt ngang khá nhiều. Máy kéo khảo
sát có tính năng quay vòng thiếu (
Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.1. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm (NCTN)
NCTN nhằm xác định các tham số đầu vào và đặc tính của các phần
tử trong mô hình tính toán, đồng thời kiểm chứng mô hình mô phỏng.
Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

- Xác định tọa độ trọng tâm và mô men quán tính J
z
của các MK và
MNN nghiên cứu trong điều kiện sử dụng.
- Khảo nghiệm xây dựng các đường đặc tính đặc tính ngoài và đặc
tính riêng phần của hai động cơ lắp trên hai MK.
- Thí nghiệm tính chất chuyển động lệch của bánh xe chủ động và
bánh xe bị động của hai MK, trên một số loại nền đường. Đây là khâu đột
phá của luận án khi nghiên cứu tính chất chuyển động của MKNN.
Quỹ đạo yêu cầu

QĐ trên đường asphalt
QĐ trên đ
ấ
t g
ố
c r
ạ

Hình 4.7. Sai l
ệch quỹ
đạo khi MK quay vòng
180
0
hình qu
ả l
ê

18
- Thí nghiệm chuyển động vòng của máy kéo MTZ-80 trên đất gốc rạ
nhằm kiểm chứng đánh giá kết quả mô phỏng tính chất chuyển động vòng
của máy kéo bánh dùng trong nông nghiệp.
5.2. Đối tượng thí nghiệm
Tất cả các thực nghiệm cần thiết đều được tiến hành trên hai loại MK
tiêu biểu là MTZ-80 (CH Belarus chế tạo) – đại diện cho loại MK có công
suất hạng trung; và YANMAR-3000 (Nhật Bản chế tạo) – đại diện cho loại
MK có công suất hạng nhỏ.
5.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
5.3.1. Xác định mô men quán tính đối với
trục đứng qua trọng tâm J
z

Đối với các máy kéo nhập ngoại,
thông số này thường không được biết, nhất
là trong những điều kiện sử dụng khác
nhau. Luận án đã chọn phương pháp dao
động xoắn tắt dần khi treo máy kéo bằng
hai dây mềm (hình 5.1).
Sau khi tạo dao động xoắn cho
máy kéo được treo quanh trục trọng
tâm z, với giả thiết dao động nhỏ và bỏ
qua giảm chấn, có:

(5-1)



Từ công thức (5-1) thấy rằng,

vấn đề là phải xác định chính xác chu kỳ dao động T
0
. Hệ thống thiết bị đo,
tự ghi dao động lắc của MK đã được thiết kế, chế tạo và nhận được kết quả
như trên hình 5.2. Số chu kỳ dao động > 50 chứng tỏ giảm chấn khá nhỏ.
Hình
5
.1. S
ơ

đ
ồ
treo máy kéo
theo m
ặ
t ph
ẳ
ng t
h
ẳ
ng
đ
ứ
ng

G



l

2

a

l
1

Hình 5.2.
Đ
ồ

th
ị
dao
đ
ộ
ng l
ắ
c c
ủ
a

máy kéo YM
-
3000 quanh
tr
ụ
c

z

2
2
1 2
z 0
2
1 2
( )
J
8 l l
Ga l l
T





19
Hình 5.3. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm chuyển động lệch của bánh xe máy kéo



10

2

4

7

8

15

6






1

3

5

9

11

13

14

12

Mô men quán tính của máy kéo MTZ-80 đối với trục thẳng đứng z qua
trọng tâm tính được là: J
z

= 3851,91 kgm
2
. Mô men quán tính của máy kéo
YM-3000 đối với trục z là: J
z
= 816,1 kgm
2
.
5.3.2. Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm bánh xe máy kéo
Thiết bị được thiết kế để liên kết với hệ thống treo của máy kéo MTZ-
80, thông qua khung đo lực kéo chuyên dụng. Bố trí chung về lắp đặt bánh xe,
hệ thống truyền động và gây tải, hệ thống cảm biến, đầu đo được thể hiện trên
hình 5.3. Truyền lực các-đăng bố trí giữa hộp giảm tốc và hộp bánh răng côn
cho phép đặt lệch bánh xe một góc đến 20
o
so với hướng tiến.
Các hệ thống được tính toán đảm bảo về tương ứng động học, khả năng
truyền mô men, truyền lực, đảm bảo độ bền, cân bằng và ổn định khi thí nghiệm.









1-sensor áp suất; 2-khung; 3-sensor đo lực dọc; 3-động cơ thủy lực; 5-sensor tốc độ
quay môtơ; 6-hộp giảm tốc; 7-trục các đăng; 8-hộp bánh răng nón; 9-sensor tốc độ
quay bánh xe ; 10-bánh xe thí nghiệm; 11-sensor góc lệch khung do MK đi không

thẳng; 12-bánh đuôi; 13-sensor vận tốc thực tế; 14-sensor lực ngang; 15- chất tải
Hệ thống đo đa kênh được thiết lập cùng phần mềm DasyLab11.0 trên
hình 5.4 cho phép đo, ghi, tính toán và hiển thị tức thời tất cả các thông số.



20
loadcell
con lăn

khung

con lăn

bánh xe
bánh xe
hiệu chỉnh
góc

khung đo

Hình 5.5.
Thi
ế
t b
ị

đư
ợ
c liên k

ế
t v
ớ
i máy kéo nh
ờ
h
ệ
th
ố
ng

khung tre
o
đ
ặ
c bi
ệ
t











Ưu điểm nổi bật của thiết bị này là liên kết với máy kéo MTZ, trong đó

máy kéo vừa là nguồn động lực (truyền mô men cho bánh xe thí nghiệm), vừa
là nguồn gây tải trọng kéo (đẩy) cho bánh xe (hình 5.5).
Nhờ máy kéo MTZ-80 có trọng lượng khá lớn (gần 3,5T) nên thiết bị
thí nghiệm khá ổn định thẳng hướng, đảm bảo góc đặt lệch bánh xe luôn
được duy trì đúng. Các giá trị góc lệch bên 
i
được đặt trước bằng cách
xoay lệch bánh xe thí nghiệm so với phương dọc. Giá trị lực F
xi
được tạo ra
bằng cách thay đổi số truyền và lực phanh của máy kéo MTZ-80 để tạo ra
Hình 5.4. S
ơ đ
ồ kết nối các phần tử của hệ
thống đo lường
n
n

v
F
p
S
p

S
F

S
n

S
n

S
F

S
v

S
α

DATA
ACQUISITION
UNIT
DASYLAB

software
PC/LAPTOP
F
A/D

CONVERTER



21
0,0
0,2
0,4

0,6
0,8
1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
S
x
j
x
Đường asphalt Đường đất Ruộng gốc rạ
Hình 5.6.
Đ
ặc tính bám tr
ư
ợt của
bánh xe YM
-
3000 khi

=0

0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

S
x
j
x
alpha=0 alpha=5 alpha=10
Hình 5.7.
Đ
ặ
c tính c
ủ
a bánh xe
máy kéo

YM
-
3000

lực cản dọc, cản lại chuyển động của khung thiết bị thí nghiệm do mô men
chủ động của bánh xe thí nghiệm tạo ra.
Sử dụng một số công thức tính toán dưới đây để xây dựng đặc tính
kéo bám và đặc tính chuyển động lệch của bánh xe thí nghiệm.
Mô men xoắn trên bánh xe chủ động: (5-2)
Độ trượt bánh xe chủ động: (5-3)
Hệ số bám dọc: Hệ số kéo: Hệ số lăn:

Thiết bị này đã được sử dụng để thí nghiệm xác định các hệ số của
mô hình bánh xe (mục 3.2.6) và cũng được dùng để thí nghiệm kiểm chứng
mô hình Buckhardt phát triển cho bánh xe MKNN.

Hình 5.6 minh họa kết quả thí nghiệm bám–trượt của bánh xe máy
kéo YM-3000 trên một số loại nền đường, khi =0. Hình 5.7 là đặc tính
bám-trượt của bánh xe máy kéo YM-3000 trên đất gốc rạ, ở các góc chuyển
động lệch  khác nhau. Mô đun bánh xe sẽ được nối ghép với mô hình MK.
d d m
x
V .p .
M
2
π
.
m b
i


b b
x
x
π.r .n
S 1
30V
 
x
b Z
M
r F


1
x

Z
F
k
F

L
Z
F
f k
F

  


22
5.3.3. Thí nghiệm quay vòng để kiểm chứng kết quả mô phỏng
Trong luận án này, một phương pháp lí thuyết – thực nghiệm đã được
đề xuất để xác định quỹ đạo chuyển động thực tế của máy kéo bánh, trên cơ
sở sử dụng các thiết bị đo hiện đại nhất. Thiết bị đo gồm:
- Sensor vận tốc quang học V1-Datron cho phép đo vận tốc hai phương
và tốc độ đổi hướng của vectơ vận tốc tuyệt đối (sai số 0,05%).
- Các cảm biến đo góc xoay đặt tại trụ đứng của các bánh xe dẫn hướng.
- Phần mềm đo lường và xử lý kết quả đo DasyLab11.0.
Thí nghiệm được thực hiện khi cho máy kéo MTZ-80 chuyển động
vòng trên đất ruộng gốc rạ có độ ẩm tương đối 75%. Worksheet đo lường và
xử lý số liệu thí nghiệm được thể hiện trên hình 5.8.
Hình 5.8. Sơ đồ kết nối các module trong worksheet thí nghiệm quay vòng
Kết quả thu được quỹ đạo chuyển động của máy kéo trong một số thí
nghiệm tiêu biểu được minh họa trên hình 5.9. Qua so sánh cho thấy, sai
khác giữa các thông số đặc trưng của quỹ đạo vẽ được với quỹ đạo thực của

máy kéo đối với phương pháp dùng hai sensor nằm trong giới hạn từ 0,1%
(trên đường bê tông) đến 0,4% (trên đất mềm). Trong điều kiện trang bị chỉ
có một sensor V1 thì sai khác không đáng kể, tương ứng là 0,5% đến 1%.


23
Hình 5.9. So sánh hai phương pháp xây dựng quỹ đạo chuyển động
Diễn biến góc lái đưa vào mô phỏng lấy từ diễn biến góc lái đo được
trong thí nghiệm chuyển động vòng. Trong quá trình mô phỏng, tỉ số truyền,
mức ga, hàm góc lái, đặc tính bánh xe được đảm bảo gần giống nhất với
điều kiện thí nghiệm.
Hình 5.10 là kết quả kiểm chứng quỹ đạo và gia tốc ngang của trọng
tâm với điều kiện chuyển động: v
TB
=6,6km/h;
0,13 /
rad s



; δ
max
=20,8
o
.
Hình 5.10. . Ki
ểm chứng mô h
ình
trường hợp MK quay vòng 180 độ

24
Hình 5.11: Điều kiện chuyển động: v=7,45km/h;
0,13 /
rad s



;
δ
max
=34,4
o
.
Qua so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cùng trên đất
gốc rạ (độ ẩm tương đối W=75%), cho thấy quỹ đạo chuyển động vòng và
theo đó là gia tốc ngang của trọng tâm MK khá giống nhau cả về định tính
và định lượng. Sự sai khác không lớn (<5%) ở đây được hiểu là do chính
ảnh hưởng của các giả thiết đặt ra khi xây dựng mô hình.
Căn cứ mục đích mô phỏng có thể kết luận mô hình mô phỏng khá
tương thích và tin cậy để có thể ứng dụng khảo sát các loại máy kéo khác.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Kết luận
1- Khi làm việc trên đồng ruộng, thời gian chuyển động quay vòng để
thực hiện các khâu canh tác khác nhau trong sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ
trọng tương đối lớn, 15 - 25% tổng thời gian làm việc. Việc nghiên cứu cải
Hàm góc lái thực nghiệm d=d(t)
0
0,1
0,2

0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15 20 25
t [s]
d [rad]
Hình 5.11. Ki
ểm chứng mô
hình trong trường hợp MK
quay vòng 360 độ


25
thiện tính chất chuyển động vòng của máy kéo nông nghiệp sẽ góp phần
đáng kể để nâng cao năng suất, chất lượng công việc, giảm tiêu hao nhiên
liệu, tăng tính an toàn cho người, máy và cây trồng.
2- Luận án đã xây dựng mô hình bánh xe máy kéo YM-3000 hoạt
động trên đất nông nghiệp. Mô hình bánh xe là một mô hình bán thực
nghiệm, 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 đun bánh xe được phác thảo trên
Matlab/Simulink có thể kết nối với mô hình phẳng bất kỳ mô tả động lực
học chuyển động của máy kéo. Mô hình bánh xe tính đến tính chất phi tuyến
của quan hệ ứng suất - biến dạng giữa bánh xe với mặt đường, có thể tính
toán lực và mô men trong các trường hợp trượt dọc, trượt ngang thuần túy
và cả trượt tổng hợp.
3- Mô hình động lực học chuyển động được xây dựng trong luận án
đã mô tả tương đối đầy đủ các tính chất chuyển động của máy kéo trên đất

nông nghiệp khi thực hiện các khâu canh tác khác nhau. Trên cơ sở một
máy kéo 4 bánh có hộp số phân cấp, trong mô hình đã tích hợp tương tác
giữa động cơ, hệ thống truyền lực, bánh xe và máy nông nghiệp. Sử dụng
phần mềm Matlab/Simulink cho phép mô phỏng và khảo sát linh hoạt các
phương án kết cấu, sử dụng máy kéo. 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.
4- Đề tài luận án đã thiết kế và chế tạo được thiết bị thí nghiệm bánh xe
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 cỡ đường kính từ 700-1400mm. Với hệ thống
đo và xử lý số liệu hiện đại có thể xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính
chất chuyển động của bánh xe trên mặt đường biến dạng như: mô men chủ
động, lực kéo, lực ngang, lực cản lăn, tải trọng pháp tuyến, mô men đàn hồi,