Nghiên cứu xác định chế độ làm việc hợp lý của liên hợp máy thu hoạch khoai tây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỖ ĐÌNH THI

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP
LÝ CỦA LIÊN HỢP MÁY THU HOẠCH KHOAI TÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỖ ĐÌNH THI

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ
CỦA LIÊN HỢP MÁY THU HOẠCH KHOAI TÂY

CHUYÊN NGÀNH
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN 1: TS. ĐÀM HOÀNG PHÚC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN 2: TS. BÙI VIỆT ĐỨC

Hà Nội – Năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những nội dung đƣợc
trình bày trong luận văn do chính tôi thực hiện với sự hƣớng dẫn khoa học của thầy
giáo TS. Đàm Hoàng Phúc – giảng viên Bộ môn ô tô – Viện Cơ khí động lực –
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo TS. Bùi Việt Đức – giảng viên Bộ
môn ô tô – Khoa Cơ điện- Học Viện Nông nghiệp Việt Nam. Toàn bộ nội dung
trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đã đƣợc đăng ký và phê duyệt của
Hiệu trƣởng Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn
là trung thực.

Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2016
Tác giả
Đỗ Đình Thi

i


LỜI CẢM ƠN
Có đƣợc kết quả nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn Thạc sĩ của mình,
ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của rất nhiều cá
nhân, tổ chức và các nhà khoa học.
Trƣớc tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến của thầy
giáo TS. Đàm Hoàng Phúc – giảng viên Bộ môn ô tô –Viện Cơ khí động lực –
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo TS. Bùi Việt Đức – giảng viên Bộ
môn ô tô – Khoa Cơ điện- Học Viện Nông nghiệp Việt Nam, ngƣời đã tận tình chỉ
bảo, truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm trong suốt quá trình thực

hiện nghiên cứu khoa học.
Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Viện Cơ khí động
lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy cô Khoa Cơ điện- Học Viện Nông
nghiệp Việt Nam,, những người đã có những ý kiến quý báu và đã tạo mọi điều kiện
giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội, Viện Đào tạo sau Đại học, lãnh đạo và các cán bộ Viện Cơ khí động lực đã tạo
điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu khoa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, tháng 3 năm 2016
Tác giả luận văn

Đỗ Đình Thi

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vii
ĐẶT VẤN ĐỀ.............................................................................................................1
1. Sự cấp thiết của vấn đề nghiên cứu .........................................................................1
2. Mục tiêu của đề tài ..................................................................................................1
CHUƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................2

1.1. Đối tƣợng nghiên cứu...........................................................................................2
1.1.1. Tình hình sản xuất khoai tây ở nƣớc ta hiện nay. .............................................2
1.1.2. Đặc tính sinh trƣởng phát triển và yêu cầu nông học của cây khoai tây .........4
1.1.3. Các phƣơng pháp thu hoạch khoai tây ở nƣớc ta. .............................................5
1.1.4. Tình hình cơ giới hóa thu hoạch khoai tây ở ngoài nƣớc. ................................5
1.1.5. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cơ giới hóa thu hoạch khoai tây ................5
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH LẬP LIÊN HỢP MÁY ... 7
2.1. Tính chất cơ lý của đất .........................................................................................7
2.1.1. Khả năng chống nén của đất .............................................................................8
2.1.2. Khả năng chống cắt của đất ............................................................................10
2.2. Máy kéo bánh lốp ...............................................................................................17
2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả sử dụng LHM thu hoạch khoai tây ...........19
2.3.1. Động học máy kéo bánh lốp............................................................................19
2.3.2. Bánh xe lăn không trƣợt (lăn thuần túy) ........................................................19
2.3.3. Các hiện tƣợng trƣợt của bánh xe ...................................................................21
2.4. Các tính chất của bánh hơi (bánh lốp có săm) .................................................24
2.5. Bán kính bánh xe ................................................................................................26
2.6. Cân bằng công suất và hiệu suất ........................................................................28
2.7. Ảnh hƣởng của lực cản kéo đến độ trƣợt ...........................................................30

iii


2.8. Xác định phản lực pháp tuyến của mặt đƣờng tác dụng lên các bánh xe máy
kéo .............................................................................................................................33
2.9. Tính năng kéo của máy kéo ...............................................................................37
2.10. Đồ thị cân bằng công suất và đƣờng đặc tính kéo thế năng ...........................39
2.10.1. Đồ thị cân bằng công suất ............................................................................39
2.10.2. Đƣờng đặc tính kéo thế năng .......................................................................41
2.11. Đƣờng đặc tính kéo của máy kéo dùng hộp số cơ học ..................................42

2.11.1. Khái niệm chung về đƣờng đặc tính kéo dùng hốp số cơ học .....................42
2.12. Máy thu hoạch khoai tây ..................................................................................46
2.12.1. Tính toán thông số máy đào khoai tây ..........................................................47
2.12.2. Lực cản máy thu hoạch khoai tây .................................................................50
2.13. Các thông số và chế độ làm việc tối ƣu của Liên hợp máy .............................53
2.13.1. Xác định bề rộng làm việc tối ƣu Btƣ ............................................................54
2.13.2. Xác định vận tốc làm việc tối ƣu Vtu .............................................................55
CHƢƠNG III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHO LHM THU HOẠCH....58
3.1. Các giả thiết để xây dựng mô hình.....................................................................58
3.2. Mô hình hóa liên hợp máy ................................................................................58
3.2.1. Phần tử động cơ...............................................................................................59
3.2.2. Phần tử truyền lực (TL).................................................................................61
3.2.3. Phần tử hệ thống di động (DĐ) ......................................................................61
3.2.4. Phần tử máy thu hoạch khoai tây ....................................................................62
3.2.5. Phần tử điều kiện sử dụng ...............................................................................62
3.3 Các hàm mục tiêu ...............................................................................................62
3.4. Mô hình toán LHM thu hoạch khoai tây ............................................................63
3.5. Thuật giải bài toán tối ƣu ..................................................................................65
CHƢƠNG 4. KHẢO SÁT XÁC ĐỊNH BỀ RỘNG VÀ VẬN TỐC LÀM VIỆC TỐI
ƢU CỦA LHM THU HOẠCH KHOAI TÂY CHỊU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ
YẾU TỐ SỬ DỤNG .................................................................................................67
4.1. Ảnh hƣởng chiều dài đƣờng làm việc ................................................................67

iv


4.2. Ảnh hƣởng lực cản riêng của máy thu hoạch khoai tây .....................................68
4.3. Ảnh hƣởng của độ sâu đào .................................................................................69
4.4. Ảnh hƣởng của tốc độ làm việc .........................................................................70
4.5. Quan hệ giữa bề rộng và vận tốc tối ƣu .............................................................71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................74
PHỤ LỤC ..................................................................................................................76

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Tình hình sản xuất khoai tây ở Việt Nam 2000 – 2010 .................................3
Bảng 2. Hệ thống kiểu cỡ máy kéo nông nghiệp ......................................................18
Bảng 3. Phân loại máy kéo theo lớp lực kéo .............................................................42

vi


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Máy thu hoạch khoai tây trên thế giới ........................................................5
Hình 1.2: Máy thu hoạch khoai tây do nhóm nghiên cứu thuộc Học Viện Nông
nghiệp Việt Nam đã thiết kế chế tạo..........................................................6
Hình 2.1. Đặc tính nén của đất ....................................................................................9
Hình 2.2. Đặc tính cắt của đất ...................................................................................10
Hình 2.3. Ảnh hƣởng của tải trọng pháp tuyến đến khả năng chống cắt của đất .....12
Hình 2.4. Sự phụ thuộc lực cắt đất T vào tải trọng pháp tuyến N ............................13
Hình 2.5. Ứng suất sinh ra trong đất do tác dụng của mẫu bám bánh xe .................13
Hình 2.6. Sự phụ thuộc của hệ số ma sát nghỉ fn và hệ số ma sát trƣợt fδ vào áp suất
p ...............................................................................................................14
Hình 2.7. Sự phụ thuộc ứng suất cắt vào biến dạng ..................................................15
Hình 2.8. Sự phụ thuộc ứng suất cắt giới hạn ηδ và ứng suất pháp ζ ........................15
Hình 2.9. Sơ đồ vận tốc của một điểm trên vành ngoài bánh xe khi lăn không trƣợt

.................................................................................................................20
Hình 2.10. Sơ đồ xác định toạ độ của một điểm trên bánh xe khi lăn không trƣợt ..21
Hình 2.11. Sơ đồ vận tốc và quĩ đạo chuyển động của bánh xe .............................23
Hình 2.12. Đặc tính biến dạng pháp tuyến và biến dạng tiếp tuyến của lốp .......24
Hình 2.13. Đặc tính biến dạng góc của lốp ............................................................25
Hình 2.14. Sơ đồ xác định các loại bán kính bánh xe ............................................27
Hình 2.15. Ảnh hƣởng độ trƣợt đến hệ số cản lăn ................................................30
Hình 2.16. Sơ đồ nghiên cứu độ trƣợt của bánh chủ động ...................................31
Hình 2.17. Đặc tính trƣợt của máy kéo ...................................................................33
Hình 2.18. Sơ đồ máy kéo với máy nông nghiệp treo ở thế vận chuyển ..............34
Hình 2.19. Sơ đồ lực tác dụng lên bộ phận làm việc của cày ...................................35
Hình 2.20. Sơ đồ liên hợp máy cày treo ở thế làm việc ...........................................36
Hình 2.21. Quan hệ giữa hiệu suất kéo và lực kéo ở móc ........................................39
Hình 2.22. Đồ thị cân bằng công suất của máy kéo ..................................................40

vii


Hình 2.23. Đƣờng đặc tính kéo thế năng của máy kéo .............................................40
Hình 2.24. Đƣờng đặc tính kéo của máy kéo dùng hộp số cơ học ..........................43
Hình 2.25. Máy đào khoai tây ..................................................................................47
Hình 2.26. Sơ đồ lƣỡi đào phẳng .............................................................................48
Hình 2.27. Lực tác động lên lƣỡi đào ......................................................................49
Hình 2.28. Bộ phận sàng tách ...................................................................................50
Hình 2.29. Đƣờng đặc tính hiệu suất kéo của máy kéo ............................................54
Hình 2.30. Sự phụ thuộc hiệu suất kéo hk, chi phí nhiên liệu riệng ge và năng suất
W vào vận tốc làm việc V........................................................................56
Hình 3.1. Sơ đồ khối của mô hình liên hợp máy (5 phần tử) ....................................59
Hình 3. 2 Đƣờng đặc tính tự điều chỉnh của động cơ ...............................................59
Hình 3.3. Đồ thị xác định bề rộng và vận tốc làm việc tối ƣu của liên hợp máy......65

Hình 4.1. Ảnh hƣởng chiều dài đƣờng làm việc tới năng suất và chi phí nhiên liệu
riêng .........................................................................................................67
Hình 4.2. Ảnh hƣởng của lực cản riêng đến năng suất và chi phí nhiên liệu riêng ..68
Hình 4.3. Ảnh hƣởng của độ sâu làm việc tới năng suất và chi phí nhiên liệu riêng .....69
Hình 4.4. Ảnh hƣởng của vận tốc làm việc đến chi phí nhiên liệu riêng ..................70
Hình 4.5. Ảnh hƣởng của vận tốc làm việc đến năng suất LHM ..............................71
Hình 4.6. Quan hệ giữa bề rộng và vận tốc tối ƣu của LHM ....................................72

viii


ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Sự cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Diện tích và sản lƣợng khoai tây có xu hƣớng tăng đều hàng năm để đáp ứng
các yêu cầu trong nƣớc và xuất khẩu, việc cơ giới hóa khâu thu hoạch đáp ứng đƣợc
các yêu cầu kỹ thuật - công nghệ, thay thế cho công việc thu hoạch thủ công hiện
nay là một việc làm cấp thiết, nhằm nâng cao năng suất chất lƣợng sản phẩm, giảm
chi phí sản xuất, thỏa mãn tối đa tính thời vụ và nâng cao thu nhập cho nông dân.
Để có thể tạo ra một LHM thu hoạch khoai tây với đầy đủ các tính năng kinh
tế - kỹ thuật – công nghệ hoàn chỉnh, đáp ứng tốt các yêu cầu công việc, cần phải
thực hiện liên kết phối hợp đầy đủ nhiều yếu tố khác nhau liên quan đến đối tƣợng
tác động (cây, củ khoai), điều kiện làm việc (nền đất), nguồn động lực (máy kéo) và
bộ phận công tác (máy thu hoạch).
Trên cơ sở thực hiện một phần công việc nằm trong dự án sản xuất thử
nghiệm hệ thống máy canh tác và thu hoạch phục vụ cơ giới hóa đồng bộ cây khoai
tây cho vùng sản xuất nông nghiệp ngoại thành Hà nội, trong phạm vi giới hạn và
yêu cầu của một luận văn Thạc sỹ kỹ thuật cơ khí động lực, tác giả đề xuất đề tài:
“Nghiên cứu xác định chế độ làm việc hợp lý của Liên hợp máy thu
hoạch khoai tây”.
2. Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu đến tính năng
kinh tế - kỹ thuật của liên hợp máy, nhằm xác định giá trị hợp lý của các thông số
trên, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu cho việc hoàn thiện thiết kế chế tạo và nâng
cao hiệu quả sử dụng LHM thu hoạch khoai tây.

1


CHUƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Thu hoạch là khâu nặng nhọc, chiếm nhiều nhân công nhất trong quy trình
sản xuất khoai tây và quyết định rất nhiều đến năng suất, chất lƣợng và giá thành
sản phẩm. Giá ngày công lao động vào thời vụ thu hoạch cao gấp 2 – 2.5 lần so với
ngày thƣờng.
Để có thể thiết kế chế tạo và khai thác sử dụng máy thu hoạch khoai tây hợp
lý, đáp ứng các yêu cầu về năng suất, chất lƣợng khâu thu hoạch khoai, cần thiết
phải có các nghiên cứu đồng bộ liên quan đến yêu cầu nông học, kỹ thuật trồng,
chăm sóc cây khoai, đặc điểm địa hình, tính chất đất, điều kiện khí hậu thời tiết khu
vực trồng trọt và các hình thức thu hoạch khoai đã và đang đƣợc áp dụng.
1.1.1. Tình hình sản xuất khoai tây ở nƣớc ta hiện nay.
Trƣớc năm 1970, diện tích trồng khoai tây ở Việt Nam chỉ vào khoảng 2000
ha và đƣợc xem nhƣ là một loại rau. Sau đó, nhờ cuộc cách mạng về giống lúa
(giống lúa cảm ôn, ngắn ngày, năng suất cao thay thế cho các giống lúa cảm quang
trong vụ mùa) vụ đông ở đồng bằng Sông Hồng trở thành vụ sản xuất chính, cây
khoai tây đƣợc coi là một cây trồng vụ đông lý tƣởng cho vùng Đồng bằng Sông
Hồng và trở thành một cây lƣơng thực quan trọng đƣợc Bộ Nông nghiệp và Phát
triển nông thôn đánh giá là cây lƣơng thực quan trong thứ hai sau cây lúa.
Trong điều kiện khí hậu có mùa đông lạnh ở miền Bắc Việt Nam, cây khoai
tây có ƣu thế hơn hẳn nhiều cây trồng khác và đƣợc coi là cây trồng lý tƣởng cho vụ
đông ở Đồng bằng Sông Hồng (Nguyễn Quang Thạch, Nguyễn Xuân Trƣờng,

Nguyễn Thị Lý Anh, 2004). So với Ngô và đậu tƣơng đòi hỏi thời vụ trồng rất
nghiêm ngặt, trong khi đó thời vụ trồng khoai tây có thể kéo dài từ đầu tháng 10 đến
cuối tháng 11 vẫn cho năng suất cao. Khoai tây có thời gian sinh trƣởng ngắn nhƣng
lại cho năng suất cao, sản phẩm dễ tiêu thụ. Cây khoai tây rất phù hợp công thức
luân canh: Lúa xuân – lúa mùa – khoai tây đông ở Đồng bằng sông Hồng.

2


Bảng 1. Tình hình sản xuất khoai tây ở Việt Nam 2000 – 2010
Năm

Diện tích

Năng suất

Sản lƣợng

(ha)

(tấn/ha)

(tấn)

2000

28000

11,50

342100

2001

33300

11,90

397700

2002

34900

12,00

421000

2003

40200

-

-

2004

30200

13,10

354100

2005

31000

14,10

434000

2006

33000

13,00

429000

2007

-

-

-

2008

35000

13,00

472500

2009

19200

13,90

266880

2010

17200

13,90

239080

(Nguồn: Báo cáo tổng kết sản xuất đông xuân 2011 các tỉnh phía Bắc – Cục trồng
trọt, Bộ NN&PTNT, 2011).
Qua tìm hiểu, quy trình trồng khoai tây ở nhiều vùng trong nƣớc không khác
mấy so với quy trình trồng khoai tây trên thế giới. Cụ thể nhƣ sau:
Quá trình sản xuất khoai tây đƣợc tiến hành theo các khâu (các bƣớc) sau:
Làm đất → Trồng khoai → Chăm sóc (bón phân, vun xới, tƣới, phun thuốc…) →
Thu hoạch.
Qua quá trình thực tế và qua điều tra, nhất là tiến hành gần đây ở một số tỉnh

phía bắc nhƣ Hƣng Yên, Bắc Giang, Hà nội, Bắc Ninh.... Chúng tôi có một bức
tranh tƣơng đối khái quát về tình hình cơ giới hóa sản xuất cây khoai tây ở phía bắc.
Làm đất, trồng khoai: Hầu hết đã áp dụng máy móc trong việc cày, xới phay
nhỏ đất trƣớc khi trồng khoai. Một số vùng có truyền thống chăn nuôi trâu cày kéo
trƣớc đây, giờ chỉ nuôi để phục vụ lấy thịt cung cấp cho đời sống, việc làm đất và
trồng khoai tiến hành làm thủ công bằng sức ngƣời. Ở một số địa phƣờng có áp
dụng một số máy trồng khoai và bón phân của trung quốc, tuy nhiên đây chỉ là một

3


vài mô hình thí điểm của các đề tài nghiên cứu, dự án sản xuất thử nghiệm chƣa
đƣợc phủ biến rộng.
Chăm sóc khoai tây: Hầu hết bón bằng tay chƣa có máy móc trong khâu bón
phân. Khâu phun thuốc chủ yếu bằng thủ công (máy đeo vai) 100%; các máy phun
thuốc thƣờng khôngđảm bảo an toàn cho nông dân.Tƣới tiêu nƣớc thì áp dụng máy
bơm dầu để bơm nƣớc. Tuy nhiên hoạt động manh mún từng chủ ruộng. Rất ít liên
kết theo hộ hoặc HTX. Một số nơi dùng hệ thống máy bơm điện theo mô hình hợp
tác xã… nhƣng chƣa phổ biến.
Thu hoạch: Hầu nhƣ khâu thu hoạch chƣa đƣợc áp dụng thu hoạch cơ giới do
diện tích trồng manh mún không tập trung. Trên thực tế số lƣợng máy thu hoạch
khoai tây là rất ít chỉ có ở một số địa phƣơng sản xuất tập trung theo mô hình hợp
tác xã hoặc tƣ nhân đầu tƣ, các máy này chủ yếu nhập về từ Trung Quốc nên chƣa
phù hợp với tập quán canh tác ở Việt Nam, giá thành cao độ bền thấp đầu tƣ lâu thu
hồi vốn.
1.1.2. Đặc tính sinh trƣởng phát triển và yêu cầu nông học của cây khoai tây
Cây khoai tây là cây lƣơng thực, thực phẩm đƣợc trồng nhiều ở nƣớc ta. Khoai
tây là cây thân đứng, tán gon, ƣa lạnh, thời gian sinh trƣởng ngắn từ 80 – 100 ngày,
nhƣng có khả năng cho năng suất từ 15 – 30 tấn củ/ha và giá trị dinh dƣỡng cao.
Sự phát triển của khoai tây chia làm 5 giai đoan:

+ Trong giai đoạn đầu, mầm bắt đầu xuất hiện từ khoai tây giống sự tăng
trƣởng bắt đầu
+ Trong giai đoạn thứ hai, quá trình quang hợp bắt đầu và cây phát triển lá
+ Trong giai đoạn ba, nhánh cây phát triển từ nách lá và khi nhánh đủ lớn sẽ
có hoa
+ Củ khoai tây phát triển mạnh ở giai đoạn thứ tƣ, dinh dƣỡng dƣỡng lúc này
đƣợc tập trung và hình thành củ to, giai đoạn này độ ẩm tối ƣu trong đất là rất quan
trọng (60% – 80%) , đồng thời nhiệt độ và dinh dƣỡng ổn định, đảm bảo
+ Giai đoạn cuối là sự héo tán cây, vỏ củ cứng lại, đƣờng chuyển hóa thành
tinh bột.

4


Đất trồng khoai tây thích hợp nhất là đất pha cát, đất màu bãi, đất phù sa ven
sông để khi cây sinh trƣởng tạo độ ẩm cao, tơi xốp trong giai đoạn vào củ.
1.1.3. Các phƣơng pháp thu hoạch khoai tây ở nƣớc ta.
Hiện nay nƣớc ta thu hoạch khoai tây chủ yếu bằng phƣơng pháp thủ công
nhƣ đào củ dùng cuốc, cào hoặc bới, nhặt thu gom củ bằng tay. Tại một số vùng
sản xuất khoai tây có diện tích lớn đã bắt đầu ứng dụng cơ giới hóa khâu thu hoạch
bằng một số loại máy công suất nhỏ, nguồn động lực là máy kéo 2 bánh, năng suất
đã đƣợc cải thiện hơn so với thu hoạch thủ công nhƣng việc vận hành, điều khiển
máy vẫn còn phức tạp, chất lƣợng sản phẩm thu hạch chƣa cao.
1.1.4. Tình hình cơ giới hóa thu hoạch khoai tây ở ngoài nƣớc.
Trên thế giới hiện nay với lợi thế cơ giới hóa hiện đại hóa nông nghiệp nên
áp dụng thu hoạch khoai tây chủ yếu bằng máy giúp giảm nhân công lao động và
tăng năng xuất thu hoạch trong thời vụ. Tuy nhiên việc ứng dụng máy chuyên dùng
cỡ lớn cần phải có cánh đồng trồng khoai đƣợc quy hoạch trên quy mô lớn, điều
kiện ruộng đất ổn định, kích thƣớc lô thửa lớn.

Hình 1.1: Máy thu hoạch khoai tây trên thế giới
1.1.5. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cơ giới hóa thu hoạch khoai tây
Cây khoai tây năng có suất cao, thời vụ luân canh ngắn nếu thu hoạch thủ
công thì tốn nhiều nhân lực và không đáp ứng yêu cầu thời vụ. Hiện nay nhóm

5


nghiên cứu thuộc Học Viện Nông nghiệp Việt Nam đã thiết kế chế tạo và thử
nghiệm một LHM thu hoạch khoai tây cỡ nhỏ năng sất 0.5 ha/h lắp trên máy kéo cỡ
trung, máy có khả năng đào củ, rũ tách đất và rải củ lên mặt luống. Hiện nay máy
đang đƣợc thử nghiệm để tiếp tục hoàn thiện kết cấu và nguyên lý làm việc, đặc biệt
là cho các bộ phận máy công tác và hệ thống di động, để có thể đáp ứng tốt nhất các
yêu cầu công việc thu hoạch.

Hình 1.2: Máy thu hoạch khoai tây do nhóm nghiên cứu thuộc Học Viện Nông
nghiệp Việt Nam đã thiết kế chế tạo

6


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH LẬP
LIÊN HỢP MÁY
2.1. Tính chất cơ lý của đất
Các tính chất cơ học của đất có ảnh hƣởng trực tiếp đến các thành phần lực
cản tác động lên máy công tác và bộ phận di động của máy kéo từ đó làm ảnh
hƣởng đến khả năng kéo bám của hệ thống di động máy, ảnh hƣởng đến hiệu suất
làm việc và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật khác của liên hợp máy kéo.
Việc nghiên cứu sâu về các tính chất cơ lý của đất đã có chuyên ngành riêng,
đó là cơ học đất. Trong phạm vi đề tài luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu một

số tính chất cơ bản liên quan đến khả năng và hiệu suất làm việc của các liên hợp
máy kéo.
Nhiều công trình nghiên cứu về sự tƣơng tác giữa hệ thống di động của ô tô,
máy kéo với nền đất đã khẳng định khả năng chống biến dạng của đất theo phƣơng
pháp tuyến (vuông góc với nền đất) và theo phƣơng tiếp tuyến (song song với nền
đất) gây ảnh hƣởng lớn nhất đến các chỉ tiêu kéo bám, khả năng lái, hiệu quả phanh,
và ảnh hƣởng đến tính ổn định chuyển động của liên hợp máy.
Dƣới tác động của hệ thống đi động sẽ làm cho các phần tử đất xê dịch theo
các phƣơng khác nhau và xuất hiện các ứng suất theo các phƣơng đó. Để tiện cho
việc nghiên cứu, thông thƣờng ngƣời ta phân tích các ứng suất theo hai thành phần:
thành phần pháp tuyến  và thành phần tiếp tuyến  . Thông qua các quy luật thay
đổi và các giá trị giới hạn của các ứng suất này ta có thể đánh giá khả năng chống
biến dạng và khả năng mang tải của nền đất tiếp xúc với dải xích của máy kéo. Các
thông số này thƣờng đƣợc sử dụng làm thông số đầu vào cho các mô hình nghiên
cứu tính chất kéo bám của hệ thống di động máy kéo.
Các tính chất cơ lý của đất đƣợc nghiên cứu khá sâu ở các công trình nghiên
cứu của N.A Xƣtôvich, M.G Becker, GS.TSKH Phạm Văn Lang, TS Phạm Văn
Ngân. Các tính chất này của đất ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng di chuyển của
máy kéo.

7


2.1.1. Khả năng chống nén của đất
Để nghiên cứu khả năng chống nén của đất thƣờng ngƣời ta sử dụng thiết bị
chuẩn để ép đầu đo vào trong đất.
Quan hệ giữa ứng suất pháp tuyến  và biến dạng h trong quá trình nén
đƣợc thể hiện trong hình 2.1. Đồ thị này có tên gọi là đặc tính nén của đất hay
đƣờng cong nén đất. Đặc tính nén của đất có thể chia thành 3 phần tƣơng ứng với
ba giai đoạn của quá trình nén đất. Trong giai đoạn thứ nhất chỉ xảy ra sự nén

chặt làm cho các phần tử đất xích lại gần nhau, quan hệ giữa ứng suất và độ biến
dạng là tuyến tính. Trong giai đoạn thứ hai sự nén chặt đất vẫn tiếp tục xảy ra
nhƣng đồng thời xuất hiện cục bộ hiện tƣợng cắt đất ở một số vùng bao quanh
khối đất. Khi đó ứng suất lớn hơn lực nội ma sát và lực dính giữa các hạt đất, do
đó biến dạng sẽ tăng nhanh hơn so với sự tăng ứng suất và quan hệ giữa chúng là
phi tuyến. Cuối giai đoạn hai ứng suất trên toàn bộ vùng bao quanh khối đất lớn
hơn nội lực ma sát và lực dính giữa các phần tử đất, quá trình nén chặt đất kết
thúc và bắt đầu xảy ra hiện tƣợng trƣợt hoàn toàn giữa khối đất và vùng đất bao
quanh nó và ứng suất pháp tuyến đạt giá trị cực đại. Trong giai đoạn thứ ba chỉ
xảy ra hiện tƣợng truợt của khối đất, ứng suất không tăng nhƣng biến dạng vẫn
tiếp tục tăng. Ở một số loại đất trong giai đoạn này ứng suất còn giảm xuống
chút ít.
Sự xuất hiện ứng suất pháp tuyến trong đất là do tác động của ngoại lực
(lực nén). Khi tăng lực nén sẽ làm tăng ứng suất cho đến khi đạt đến ứng suất
cực đại, sau đó dù có tăng lực nén ứng suất không tăng nữa. Do đó ứng suất cực
đại max sẽ đặc trƣng cho khả năng chống nén của đất. Giá trị cực đại  max và độ
sâu h* phụ thuộc vào loại đất và trạng thái vật lý của nó. Do vậy  max thƣờng đƣợc
sử dụng để đánh giá khả năng chống nén và khả năng mang tải của đất.

8


ζ

ζmax

ζ0

I
0

II

III

h*
Hình 2.1. Đặc tính nén của đất

h

Sự biến dạng của đất theo phƣơng pháp tuyến liên quan đến độ sâu của vết
bánh xe và do đó ảnh hƣởng đến lực cản lăn của máy kéo. Vì vậy đƣờng đặc tính
nén đất đƣợc sử dụng nhƣ một cơ sở khoa học để tính toán thiết kế hệ thống di
động của máy kéo.
Khi chỉ nghiên cứu vùng quan hệ tuyến tính có thể sử dụng công thức đơn

  hk ,

giản nhất:

(2 .1)

Trong đó:
k – hệ số biến dạng thể tích, N/m3, phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất.
h – Độ biến dạng của đất, m.
Để mô tả toàn bộ đƣờng cong, M.G Becker đã đề suất hàm số mũ:

k



   0  k  hn ,
b


(2 .2)

Trong đó:

k0 – Hệ số bám, N/m1+n.
b – đƣờng kính đầu đo, m.

k – Hệ số ma sát trong của đất, N/m1+n;
n – Chỉ số mũ.
h – Độ biến dạng của đất, m
Theo V.V Kasƣghin, đƣờng cong nén đất đƣợc mô tả theo hàm tang
9


Hypecpolic sẽ phù hợp với thực tế hơn, cụ thể ông đã đề suất công thức:

   0th

k

0

h

(2.3)

Trong đó:

 0 – là ứng suất giới hạn của đất khi nén bằng đầu đo, Pa.
k – hệ số biến dạng thể tích, N/m3;
h – độ biến dạng của đất.
Công thức (2 – 3) là công thức tổng quát của các công thức (2 – 1) và công
thức (2 – 2). Thực tế ta khai triển hàm hypecpolic (2 – 3) theo dạng chuỗi và chỉ lấy
số hạng thứ nhất sẽ nhận đƣợc công thức (2 – 1), sau đó sử dụng một vài phép biến
đổi sẽ nhận đƣợc công thức (2 – 2).
2.1.2. 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 phần tử và lực liên kết do sức căng của bề mặt và lực nội ma sát trong đất.
Trong quá trình cắt đất theo phƣơng ngang xảy ra sự biến dạng và xuất hiện
các ứng suất tiếp tuyến. Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa biến dạng 
và ứng suất  có dạng nhƣ đồ thị trên hình 2.2.

ηmax1

η

ηδ2
ηmax2 =ηηmax
δ2
ηmax1 1
1
2

0
δ0

ηm Hình 2.2. Đặcηtính
max1 cắt của đất
ax1

1 - Đất chặt; 2 - Đất xốp

10

δ
ηm
ax1


Đối với đất chặt, ứng suất cắt cực đại  max và  0 , sau đó giảm dần đến một
giá trị tới hạn nào đó   1 rồi xảy ra trƣợt hoàn toàn (đƣờng 1). Đối với đất xốp thì
ứng suất cắt  tang dần tới giá trị cực đại  max 2 rồi xảy ra hiện tƣợng trƣợt hoàn
toàn, nghĩa là giá trị tới hạn bằng bằng giá trị cực đại   2 =  max 2 (đƣờng 2).
Khả năng chống cắt của đất đƣợc đặc trƣng bởi ứng suất tới hạn của nó. Giá
trị ứng suất tới hạn   phụ thuộc vào loại đất và ứng suất pháp tuyến  .
Trên hình 2.3a thể hiện đặc tính cắt đất rời khi thay đổi các giá trị ứng suất
pháp khác nhau. Với áp suất ngoài càng lớn thì ứng suất giới hạn   cũng càng lớn.
Quan hệ giữa ứng suất cắt   và ứng suất pháp  là tuyến tính, thể hiện trên hình
2.3b và đƣợc biểu diễn bởi công thức:

    tg .

(2.4)

Trong đó:  - Góc ma sát của đất.
Đối với đất dính, quan hệ giữa ứng suất giới hạn và ứng suất pháp có dạng

nhƣ hình 2.3c và mối quan hệ đó đƣợc thể hiện bằng công thức:

    0   tg ,

(2.5)

Trong đó:  0 - Ứng suất cắt do lực dính gây ra.

11


η

ηδ
3
η
2
ma
η
1
x1
ma
η

τδ = σtgυ
ηmax1

x1
ma

θ

x1

0
η

a)

∆

0
η

ηma

b)

ηδma

Hình
2.3. Ảnh hƣởng của tải trọng
ma
x1
x1
pháp
tuyến đến khả năng chống cắt

ζ
ηma

x1

x1

của đất
a) Quan hệ giữa ứng suất tiếp η và
chuyển vị ∆ (1, 2, 3 với ba mức ứng
suất pháp tăng dần).
b) Quan hệ giữa ứng suất tiếp ηδ và η0
chuyển vị σ khi cắt đất rời.
c) Quan hệ giữa ứng suất tiếp ηδ và
0
chuyển vị σ khi cắt đất dính.
η
ma

τδ = τ0 +σtgυ
ηmax1
θ

c)

ζ
ηma
x1

x1

Trong thực tế, điều kiện làm việc của máy kéo thƣờng chuyển động trên các
loại đất tự nhiên. Quá trình tƣơng tác giữa hệ thống di động xích (xích hoặc bánh

xe) với nền đất xảy ra phức tạp hơn. Các mấu bám cắt đất theo 3 mặt: mặt đáy, và 2
mặt cạch. Quan hệ giữa lực cắt T và tải trọng pháp tuyến N có dạng nhƣ hình 2.4.
Quá trình cắt đất có thể mô hình hóa nhƣ hình 2.5.

12


v
T

τc

x1

ma

τc

θ
ηη

a
η

ηma

T0

τ

0
η

x1

p

hb

ma
ma
x1
x1

N
η

∆

Hìnhma
2.4. Sự phụ thuộc lực cắt đất T vào
ma
tải trọng pháp tuyến N
x1

Hình 2.5. Ứng suất sinh ra trong đất
do tác dụng của mẫu bám bánh xe

x1

Lực chống cắt của đất biểu thị qua công thức :
T = T0 + Ntg 
Trong đó :

(2.6)

T0 – Lực dính.
N – Tải trọng pháp tuyến.

 - Góc ma sát trong.
Nếu chúng ta ký hiệu lực ma sát nghỉ là Tn = Tmax và fn là hệ số ma sát nghỉ
thì ta có thể xác định chúng theo công thức sau :
Tn = fnN ; fn = tg 

T0
;
N

Chia lực T0 và N cho diện tích tiếp xúc A ta nhận đƣợc :

0 

T0
- Là ứng suất chống cắt do lực dính tạo ra.
A

p

N
- Áp suất do tải pháp tuyến N gây ra.

A

Khi đó hệ số ma sát nghỉ có thể tính theo công thức:
fn= tg 

0

(2.7)

N

Qua công thức (2 – 7) ta thấy hệ số ma sát nghỉ phụ thuộc vào áp suất p (với

13


sự tăng p làm giảm fn). Đôi khi ngƣời ta còn gọi hệ số ma sát nghỉ là hệ số ma sát
nằm ngoài nhằm phân biệt ma sát trong f = tg ( trong đó  là góc ma sát trong).
Khi ngoại lực tác dụng lên đất bằng hoặc lớn hơn ma sát nghỉ thì sẽ xảy ra sự
trƣợt tƣơng đối với nhau giữa các phần tử đất. Khi đó lực chống cắt sẽ đƣợc tính
theo lực ma sát trƣợt:

T  f N
Trong đó : f - hệ số ma sát trƣợt.
Đôi khi hệ số ma sát trƣợt còn đƣợc gọi là hệ số ma sát trong. Hệ số này phụ
thuộc vào áp suất ngoài p. Thực nghiệm cho thấy rằng sự phụ thuộc của các hệ số
ma sát vào áp suất p có dạng nhƣ hình 2.6.

fn,
fδ

fn
fδ
p
0
η fn và
η Sự phụ thuộc của hệ số ma sát nghỉ
Hình 2.6.
mhệ

số ma sát trƣợt fδ vào áp suất p

m
ax

ax

Quan hệ giữa ứng suất cắt  và độ biến dạng Δ cũng tƣơng tự nhƣ thí
1

1

nghiệm cắt đất trong hộp kín.

14


η

η

τmax =
τn
ηmax2 =
ηδ2
ηmax1

1

δ

ηδ
ηma

2

τc = τ0 + σfδ
=τmax1

x1

η0
ηma

∆0

0
η

max thuộc ứng∆

Hình 2.7. Sự ηphụ
ma suất cắt vào
1 biến dạng η
x1 1 - Đất chặt; 2- Đất dẻo
ma

x1

0
η

Hình 2.8. Sự phụ thuộc ứngζ
ma cắt giới hạn τ và ứngη
suất
δ
x1
suất pháp σ
ma

x1

x1

Mô tả toán học đường cong cắt đất
Đề mô tả đƣờng cong cắt đất, M.G Becker đề xuất áp dụng dao động điều
hòa có dạng:

X  B1e1t  B2e2t
Trong đó: B1,1, B2 , 2 - Các hệ số đặc trƣng quá trình dao động.
M.G. Becker đã biến đổi phƣơng trình trên để mô tả quan hệ giữa ứng suất 

và biến dạng Δ nhận đƣợc:

 





 

   0  ptg  exp  k2  k22  1 k1Δ   exp  k2  k22  1 k1Δ  ; (2.8)




Trong đó:
k1, k2 – Các hệ số thực nghiệm xác định quá trình trƣợt của máy kéo xích;
∆ - Biến dạng của đất theo phƣơng ngƣợc với chuyển động của máy.
Công thức trên không đƣợc thực tế chấp nhận vì nó tồn tại một số nhƣợc
điểm là công thức quá phức tạp và khó xác định đƣợc các hệ số thực nghiệm. Ngoài
ra, ý nghĩa của các hệ số này là không thực tế. Ví dụ, khi độ biến dạng đủ lớn thì
ứng suất giảm rất nhanh, khi k2 >1, ∆  ∞ thì ứng suất cắt dần tới 0 (  0). Điều
đó không phù hợp với quy luật thực tế.
15