Nghiên cứu động lực học của tay thủy lực học của tay thủy lực bốc dỡ gỗ lắp sau máy kéo bánh hơi khi xoay cần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LƯƠNG NGỌC HOÀN

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA TAY THUỶ LỰC BỐC DỠ GỖ LẮP SAU
MÁY KÉO BÁNH HƠI KHI XOAY CẦN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LƯƠNG NGỌC HOÀN

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA TAY THUỶ LỰC BỐC DỠ GỖ LẮP SAU
MÁY KÉO BÁNH HƠI KHI XOAY CẦN

Chuyên ngành: Máy và thiết bị cơ giới hoá nông - lâm nghiệp
Mã số: 60 52 14

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Hướng dẫn 1: TS. Nguyễn Văn Bỉ
Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Văn Quân

Hà Nội - 2008


i

Lời cảm ơn
Trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học, tôi đã nhận được
sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp hoàn thành luận
văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất.
Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Văn Bỉ và TS. Nguyễn Văn Quân
đã trực tiếp tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt
nghiệp của mình;
Trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Nhật Chiêu, TS. Hoàng Việt, ThS.
Giang Ngọc Anh đã tạo điều kiện giúp đỡ, đóng góp những ý kiến bổ ích và
cung cấp những tài liệu quan trọng để tôi có thể hoàn thành luận văn này;
Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu cùng cán bộ giáo viên, công nhân
viên chức Trường TH Kinh tế - Kỹ thuật tỉnh Lào Cai, nơi tôi công tác, đã
động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ;
Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu cùng cán bộ giáo viên, công nhân
viên chức Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi
nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ;
Xin trân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn này.

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu nặng đến Bố, Mẹ cùng
gia đình đã thường xuyên quan tâm, động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất về
tinh thần cũng như vật chất cho tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Xin trân trọng cảm ơn!


ii

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục hình vẽ
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
Đặt vấn đề

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

3

1.1. Tình hình ứng dụng tay thuỷ lực trong công nghệ khai thác gỗ

3

1.2. Một số vấn đề về nghiên cứu động lực học máy trục

8

1.3. Một số phần mềm trợ giúp trong nghiên cứu động lực học máy

14

1.4. Một số công trình nghiên cứu động lực học của tay thuỷ lực bốc dỡ gỗ

16

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU

22

2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

22

2.2. Mục tiêu nghiên cứu

24

2.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

24

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ĐLH CỦA TAY THUỶ LỰC KHI KHỞI ĐỘNG
XOAY CẦN

26

3.1. Xác định các thông số động lực học đặc trưng

26


iii

3.2. Xác định các mô men tác dụng

33

3.3. Lập sơ đồ tính toán động lực học

36

3.4. Thiết lập phương trình vi phân

43

3.5. Giải các phương trình vi phân

49

3.6. Xác định hệ số tải trọng động lực học

52

3.7. Mô phỏng qui luật biến đổi của biến dạng và của hệ số động lực học

53

3.8. Lựa chọn chế độ làm việc hợp lý cho tay thuỷ lực khi xoay cần

59

CHƯƠNG IV: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADAMS MÔ PHỎNG QÚA

TRÌNH XOAY CỦA TAY THUỶ LỰC

64

4.1. Lập mô hình mô phỏng

64

4.2. Thẩm định mô hình

67

4.3. Chạy mô phỏng

68

4.4. Lấy kết quả mô phỏng

69

4.5. Kết quả mô phỏng

70

Kết luận và đề xuất

76

Tài liệu tham khảo
Phụ lục


iv

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ TRANH ẢNH
TT

Tên hình

Trang

1-1

TTL trong công nghệ khai thác gỗ nguyên cây

4

1-2

TTL trong công nghệ khai thác gỗ dài và gỗ ngắn

5

1-3

TTL lắp trên máy kéo Volvo thực hiện việc bốc gỗ

6

1-4

TTL bốc dỡ gỗ lắp sau máy kéo Shibaura

7

1-5

1-6

1-7
1-8

Đồ thị biểu thị sự ảnh hưởng của vận tốc và khối lượng
nâng đến hệ số ĐLH do Alecxangdrov V.A xây dựng
Sơ đồ tính toán ĐLH LHM chặt hạ khi di chuyển cây gõ do
sự quay bàn bằng của Alecxangdrov V.A
Sơ đồ tính toán dao động của máy kéo trong LHM chặt hạ
của Alecxangdrov V.A
Mô hình ĐLH của TTL khi bốc dỡ gỗ của Trần Lý Tưởng

16

17

18
20

Đồ thị biểu thị sự ảnh hưởng của tải trọng nâng và vận tốc
1-9

nâng đến trị số của hệ số động lực học của TTL do Trần

21

Lý Tưởng xây dựng
3-1

Mô hình 3D các khối lượng tham gia chuyển động khi
xoay cần

27

3-2

Mô hình lắp nghép TTL trong SolidWorks

28

3-3

Trụ xoay

31

3-4

Sơ đồ hệ thống dẫn động xoay cho TTL

33

3-5

Cấu tạo trụ

35

3-6

Sơ đồ ĐLH tổng quát

36

3-7

Sơ đồ kiểm tra khả năng ổn định ngang của đầu máy

40


v

3-8

Sơ đồ tính toán ĐLH

43

3-9

Mô hình mô phỏng biến dạng tương đối và hệ số tải trọng ĐLH

53

3-10

3-11

3-12

3-13

3-14

Đồ thị biểu diễn qui luật biến dạng tương đối của trụ xoay
và cụm cánh tay - cẳng tay
Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của hệ số tải trọng ĐLH
của trụ xoay và cụm cánh tay - cẳng tay
Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của mô men tác dụng lên
trụ xoay và cụm cánh tay - cẳng tay
Mô phỏng biến đổi của hệ số tải trọng ĐLH ở các mức gia
tốc khác nhau khi TTL mang tải tối đa
Mô phỏng biến đổi của hệ số tải trọng ĐLH ở các mức gia

tốc khác nhau khi TTL không mang tải

56

58

59

62

63

4-1

Mô hình TTL sau khi nhập vào Adams

66

4-2

Mô hình TTL trong Adams sau tiến hành đầy đủ các khai báo

68

4-3

Cửa sổ thẩm định mô hình (Information)

69

4-4

Các lựa chọn mô phỏng

70

Đồ thị biểu diễn dịch chuyển góc của cánh tay, cẳng tay
4-5

và trụ theo thời gian khi quá trình xoay của TTL được tiến

72

hành độc lập với quá trình nâng - hạ cần
Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của các thành phần lực
4-6

của khớp nối trụ xoay và cánh tay khi quá trình xoay của

72

TTL được tiến hành độc lập với quá trình nâng - hạ cần
Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của các thành phần lực của
4-7

khớp nối trụ cánh tay và cẳng tay khi quá trình xoay của
TTL được tiến hành độc lập với quá trình nâng - hạ cần

73

vi

Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của các thành phần lực của
4-8

khớp nối trụ cẳng tay và cụm ngoạm khi quá trình xoay của

73

TTL được tiến hành độc lập với quá trình nâng - hạ cần
Đồ thị biểu diễn dịch chuyển góc của cánh tay, cẳng tay
4-9

và trụ theo thời gian xoay khi quá trình xoay của TTL

74

được tiến hành đồng thời với quá trình nâng - hạ cần
Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của các thành phần lực
4-10 của khớp nối trụ xoay và cánh tay khi quá trình xoay của

74

TTL được tiến hành đồng thời với quá trình nâng - hạ cần
Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của các thành phần lực của
4-11 khớp nối trụ cánh tay và cẳng tay khi quá trình xoay của

75

TTL được tiến hành đồng thời với quá trình nâng - hạ cần
Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi của các thành phần lực của
4-12 khớp nối trụ cẳng tay và cụm ngoạm khi quá trình xoay của
TTL được tiến hành đồng thời với quá trình nâng - hạ cần

75


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TTL - tay thuỷ lực;
LHM - liên hợp máy;
ĐLH - động lực học;
MMQT - mô men quán tính;
TĐTT - toạ độ trọng tâm;
c12 - độ cứng qui đổi của trụ xoay, N/m;
c 12' - độ cứng qui đổi của phần trụ tròn, N/m;
c 12'' - độ cứng qui đổi của phần trụ thanh, N/m;
'
c 12i
- độ cứng của đoạn trục thứ i, N/m;
''
c 121T
- độ cứng một thanh trụ, N/m;

G - mô đun trượt của vật liệu, N/m2;
I12i - MMQT độc cực của tiết diện tròn đoạn trục thứ i, m4;
l12i - chiều dài đoạn trục thứ i, m.

I127 - MMQT trung bình của tiết diện ngang của 1 thanh, m4;
l127 - chiều dài thanh trụ, m;
c23 - độ cứng qui đổi của TTL, N/m;
'
- độ cứng qui đổi của cánh tay, N/m;
c23
''
- độ cứng qui đổi của cẳng tay, N/m.
c23

E23 - mô đun đàn hồi khi uốn của cánh tay, N/m2;
I23 - MMQT trung bình của mặt cắt ngang của cánh tay, m4;
l23 - chiều dài chịu lực của cánh tay, m;
Mdc - mômen quay của động cơ thuỷ lực, Nm;
 , i - hiệu suất và tỉ số truyền của hệ thống dẫn động;
N dc , ndc - công suất và số vòng quay của động cơ thuỷ lực;


viii

Fms12 - lực ma sát tại mặt tiếp xúc của đĩa phần trụ xoay (1) và đĩa phần
trụ cố định (2), N;
Fms3 - lực ma sát tại các ổ trục trên (3), N;
Fms4 - lực ma sát tại các ổ trục dưới (4), N;
rd 12 , ro 3 , ro 4 - khoảng cách từ tâm trụ đến các lực ma sát tương ứng, m;

f - hệ số ma sát giữa thép và thép;
N d 12 , N o 3 , N o 4 - áp lực giữa phần chuyển động và phần không chuyển

động của trụ, N;

r12 , r3 , r4 - bán kính của đĩa trụ, đoạn trục tại ổ 3 và đoạn trục tại ổ 4, m;

c1, k1 - độ cứng qui đổi và hệ số giảm chấn của lốp trước máy kéo;
c2, k2 - độ cứng qui đổi và hệ số giảm chấn của lốp sau máy kéo;
c3, k3 - độ cứng qui đổi và hệ số giảm chấn của xi-lanh cánh tay;
c4, k4 - độ cứng qui đổi và hệ số giảm chấn của xi-lanh cẳng tay;
c5, k5 - độ cứng qui đổi và hệ số giảm chấn của xi-lanh ngoạm;
Mkd - mô men kích động xoay cần, Nm;
Mms - mô men ma sát, Nm;
Mlt - mô men ma sát phát sinh do sự lệch của tải, Nm;
Mqt - mô-men của lực quán tính của TTL, Nm;
l3 - khoảng cách từ chân chống đến trọng tâm của toàn bộ TTL cùng tải, m;
Fqt - lực quán tính của toàn bộ TTL cùng tải, N;
a - gia tốc dài của trọng tâm toàn bộ TTL cùng tải, m/s2;
m1 - khối lượng toàn bộ TTL cùng tải, kg;
ε - gia tốc góc của TTL khi xoay cần, rad/s;
l2 - khoảng cách từ tâm trụ đến trong tâm toàn bộ TTL cùng tải, m;
l1 - khoảng cách từ tâm trụ đến chân chống, m;
F1, F2, F3, F4 - lực ma sát giữa các lốp của máy kéo với đất, N;
lS - chiều dài bán trục sau, m;


ix

lT - chiều dài bán trục trước, m;
l4, l5, l6, l7, lc - như hình 3-2, m;
fb - hệ số bám của lốp xe;
f’ - hệ số ma sát giữa thép và đất;
N1, N2, N3, N4 - áp lực của LHM tác dụng lên đất tại các lốp, N;
Mgiu - mô-men của lực ma sát giữa các lốp xe với đất, Nm;

φ1, φ2, φ3 - các toạ độ suy rộng của hệ;
T - hàm động năng của hệ;
 - hàm thế năng của hệ;

Ф - hàm năng lượng hao tán;
Qi - các ngoại lực tác dụng ;
kdtr - hệ số tải trọng động lực học của trụ xoay ;
kdttl - hệ số tải trọng động lực học của cụm cánh tay và cẳng tay.


1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Khai thác lâm sản là lĩnh vực quan trọng của ngành sản xuất lâm
nghiệp. Trong đó, bốc dỡ gỗ là một khâu công việc nặng nhọc và rất nguy
hiểm. Để cải thiện điều kiện làm việc và đảm bảo an toàn cho người lao động;
đồng thời để tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm thì khâu công việc này
cần được cơ giới hoá.
Đã có nhiều công trình khoa học tầm cỡ quốc gia được thực hiện vì
mục đích nêu trên, trong đó có đề tài cấp Nhà nước mã số KC - 07-26-05.
Một trong những nội dung của đề tài này là tính toán thiết kế, chế tạo và khảo
nghiệm thiết bị bốc dỡ, vận xuất gỗ cự ly ngắn. Thiết bị này là một liên hợp
máy gồm máy kéo nông nghiệp Shibaura được trang bị rơ-moóc và tay thuỷ
lực bốc dỡ gỗ. Tay thuỷ lực có thể tự bốc dỡ gỗ cho rơ-moóc hoặc bốc dỡ gỗ
cho các phương tiện khác. Qua khảo nghiệm cho thấy tay thuỷ lực bốc dỡ gỗ
làm việc đạt yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên, một số nội dung tính toán động lực
học của nó chưa được thực hiện.
Động lực học là một nội dung quan trọng của nhiều ngành khoa học kỹ
thuật, trong đó có ngành chế tạo máy. Những bài toán động lực máy thường

rất phức tạp, đôi khi việc giải chúng trở lên rất khó khăn, đòi hỏi phải đầu tư
nhiều thời gian và công sức. Do đó, trong tính toán thiết kế một sản phẩm mới
người ta thường giải quyết bài toán tĩnh học và kể đến sự có mặt của các lực
động thông qua hệ số động lực học. Hệ số động lực học trong thiết kế được
chọn theo các tài liệu đã có nên tính sát thực không cao, đây là nguyên nhân
dẫn đến các chi tiết của sản phẩm sau lần chế tạo đầu tiên có thể thừa bền dẫn
đến lãng phí vật liệu hoặc thiếu bền dẫn đến không đảm bảo an toàn. Vì vậy,
với những sản phẩm là các loại máy mới thì sau lần chế tạo đầu, trước khi đi
đến sản xuất hàng loạt người ta thường thực hiện giai đoạn chính xác hoá thiết


2

kế và định ra chế độ sử dụng máy hợp lý. Trong giai đoạn này thì việc giải bài
toán động lực học là một nội dung không thể thiếu.
Tay thuỷ lực được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề: giao
thông, xây dựng, lâm nghiệp… Quá trình làm việc của nó được thực hiện theo
các chu kỳ. Mỗi chu kỳ làm việc gồm giai đoạn chuyển động ổn định và
những giai đoạn chuyển động không ổn định (khởi động, hãm phanh, nhấc tải,
nhả tải… - người ta thường gọi là những giai đoạn quá độ). Trong giai đoạn
quá độ, sự thay đổi đột ngột của gia tốc và tải trọng làm nảy sinh tải trọng
động. Đó chính là nguyên nhân làm giảm tính ổn định và gây ra hư hỏng cho
thiết bị. Vì vậy, trong nghiên cứu động lực học người ta thường quan tâm đến
những giai đoạn quá độ của máy.
Ở các nước phát triển trên thế giới, việc nghiên cứu động lực học tay
thuỷ lực bốc dỡ gỗ đã sớm được quan tâm và họ đã tạo ra được nhiều loại tay
thuỷ lực làm việc tin cậy với năng suất cao. Ở Việt Nam, đây là lĩnh vực mới
nên cần có nhiều công trình khoa học nghiên cứu, đặc biệt cần quan tâm đến
vấn đề động lực học ở các giai đoạn qúa độ.
Xuất phát từ những cơ sở thực tiễn và lý thuyết trên, tôi thực hiện luận

văn thạc sỹ: “Nghiên cứu động lực học của tay thuỷ lực bốc dỡ gỗ lắp sau
máy kéo bánh hơi khi xoay cần”. Trong đó, đề tài nghiên cứu sâu về các giai
đoán qúa độ.


3

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình ứng dụng tay thuỷ lực trong công nghệ khai thác gỗ
Trên thế giới, rừng tự nhiên còn rất ít nhưng lại có ý nghĩa to lớn về
mặt môi trường, bảo tồn... nên người ta hạn chế khai thác gõ rừng tự nhiên. Vì
vậy, đối tượng của khai thác gỗ hiện nay chủ yếu là gỗ rừng trồng. Trong khai
thác gỗ rừng trồng người ta thường áp dụng các loại hình công nghệ sau:[11]
Công nghệ khai thác gỗ nguyên cây (full-tree method): cây gỗ sau khi
hạ được giữ nguyên cành lá rồi được vận xuất ra bãi gỗ. Tại bãi gỗ người ta
mới tiến hành cắt cành, cắt khúc theo qui cách sản phẩm, bốc lên phương tiện
và vận chuyển đến nơi tiêu thụ
Công nhệ khai thác gỗ dài (tree-length method): cây gỗ sau khi hạ được
cắt cành, ngọn tại nơi chặt hạ rồi được vận xuất ra bãi gỗ. Tại bãi gỗ chúng
được cắt khúc theo qui cách sản phẩm, bốc lên phương tiện và vận chuyển
đến nơi tiêu thụ.
Công nghệ khai thác gỗ ngắn (shortwood method): toàn bộ các thao tác
hạ cây cắt cành, ngọn và cắt khúc theo qui cách sản phẩm đều được thực hiện
tại nơi chặt hạ. Sau đó, các khúc gỗ được vận xuất đến bãi gỗ rồi bốc lên
phương tiện vận chuyển về nơi tiêu thụ.
Căn cứ vào điều kiện tự nhiên, điều kiện trang bị phương tiện, nhân
công và yêu cầu về bảo vệ môi trường mà lựa chọn loại hình công nghệ khai
thác phù hợp với tình hình thực tiễn.

1.1.1. Tình hình ứng dụng tay thuỷ lực trong công nghệ khai thác gỗ ở một
số nước trên thế giới
Ở các nước phát triển trên thế giới, tay thuỷ lực (TTL) được ứng
dụng rộng rãi trong các liên hợp máy (LHM) khai thác. Đặc biệt đối với


4

các nước phát triển như Phần Lan, Thuỵ Điển, Nga… và các nước có tài
nguyên rừng phong phú như Brazil, Tanzania, Ethiopia…, người ta đã thiết
kế và chế tạo được nhiều loại TTL sử dụng trong khai thác gỗ làm việc tin
cậy với năng suất cao và có thể vận dụng cho cả ba loại hình công nghệ
khai thác gỗ nêu trên.
TTL có thể thực hiện được một hoặc một số công khâu công việc trong
công nghệ khai thác gỗ. Tương ứng với mỗi loại hình công nghệ người ta có
thể tạo ra các TTL có cấu tạo và chức năng phù hợp. Ngoài ra, người ta còn
tạo ra các loại TTL có thể tham gia thực hiện một công việc cụ thể của tất cả
các loại hình công nghệ.
Trong công nghệ khai thác gỗ nguyên cây, cây gỗ có thể được hạ
bằng cách cắt gốc hoặc hạ cả gốc. Thông thường người ta dùng cưa xăng
hạ cây bằng cách cắt gốc và sử dụng LHM vận xuất gồm TTL có trang
bị ngoạm cỡ lớn lắp trên máy kéo để vận xuất gỗ từ nơi chặt hạ ra ngoài
bãi gỗ (hình 1-1).

Hình 1-1: TTL trong công nghệ khai thác gỗ nguyên cây
Trong công nghệ khai thác gỗ dài và gỗ ngắn, TTL được ứng dụng
trong LHM chặt hạ - cắt khúc và LHM bốc dỡ - vận xuất. LHM chặt hạ - cắt
khúc cấu tạo gồm TTL có trang bị ngoạm lắp trên máy kéo, ngoạm được
trang bị bộ phận cắt để thực hiện việc hạ cây, cắt khúc và cắt cành, ngọn (hình
1-2a,b). LHM bốc dỡ - vận xuất có cấu tạo gồm các bộ phận tương tự như

5

TTL ở LHM chặt hạ - cắt khúc nhưng được trang bị rơ-moóc và ngoạm không
được trang bị bộ phận cắt (hình 1-2c). Ngoài ra, TTL của cả hai loại LHM
trên còn có thể thực hiện việc bốc dỡ gỗ cho các phương tiện khác.

(a)

(b)

(c)

Hình 1-2: TTL trong công nghệ khai thác gỗ dài và gỗ ngắn
a. TTL trong LHM chặt hạ - cắt khúc thực hiện việc cắt cành ngọn
b. TTL trong LHM chặt hạ - cắt khúc thực hiện việc cắt khúc
c. TTL trong LHM bốc dỡ - vận xuất thực hiện việc bốc gỗ
Trong các loại TTL thì TTL trong LHM bốc dỡ - vận xuất được sử
dụng rộng rãi hơn cả vì có tính cơ động cao. Khi trang bị cho LHM này
một rơ-moóc thì TTL dùng để tự bốc dỡ và vận xuất gỗ; khi không trang bị
rơ-moóc thì TTL được dùng để bốc dỡ gỗ cho các phương tiện khác. Vì vậy,
LHM có trang bị TTL loại này có thể sử dụng cho cả ba loại hình công nghệ
khai thác gỗ.
1.1.2. Tình hình ứng dụng tay thuỷ lực trong công nghệ khai thác gỗ ở Việt Nam
Ở Việt Nam, loại hình công nghệ khai thác gỗ phổ biến là khai thác gỗ
ngắn. Gỗ được chặt hạ bằng phương pháp thủ công hoặc cưa xăng và được
vận xuất ra ven đường hoặc bãi gỗ bằng phương pháp thủ công (vác vai, lao
xeo) hoặc trâu kéo. Cho đến nay, việc bốc gỗ từ bãi gỗ lên phương tiện vận

6

chuyển, dù là một công việc có tính chất nặng nhọc và nguy hiểm nhưng vẫn
chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thủ công.
Từ trước những năm 1990, tại một số tỉnh miền núi phía Bắc (Yên
Bái, Tuyên Quang, Hà Giang, Phú Thọ, Vĩnh Phúc…), là vùng chuyên canh
nguyên liệu giấy cho Nhà máy giấy Bãi Bằng, đã được Chính phủ Thuỵ
Điển tài trợ hàng loạt LHM bốc dỡ - vận xuất gỗ. LHM này gồm máy kéo
Volvo có trang bị TTL bốc dỡ gỗ và rơ-moóc (thường được gọi tắt là
Volvo). Ở điều kiện làm việc cho phép thì Volvo là phương tiện đắc lực cho
công tác bốc dỡ và vận xuất, nó làm việc tin cậy, cho năng suất cao và điều
kiện làm việc của người lao động được đảm bảo.
Kể từ khi không được Chính phủ Thuỵ Điển tài trợ, theo thời gian, số
lượng Volvo giảm dần vì hỏng hóc mà phụ tùng thay thế lại rất khan hiếm.
Đến nay, chỉ còn một số ít Volvo vẫn hoạt động được. Trên hình 1-3 là TTL
lắp trên máy kéo Volvo đang thực hiện việc bốc gỗ từ rơ-moóc lên phương
tiện vận chuyển tại Lâm trường Hàm Yên, Tuyên Quang.

Hình 1-3: TTL lắp trên máy kéo Volvo thực hiện việc bốc gỗ
Volvo và một số LHM sử dụng trong khai thác gỗ hiện có trên thế giới là
những thiết bị có khả năng cơ giới hoá cao, dùng để sản xuất với qui mô lớn nên


7

giá thành của thiết bị rất cao, đòi hỏi vốn đầu tư lớn, điều này không phù hợp với
qui mô và khả năng tài chính của các doanh nghiệp trong nước.
Với mong muốn tạo ra một thiết bị cơ giới hoá khâu bốc dỡ gỗ thay thế
Volvo mà lại phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam, một trong những

nội dung của đề tài cấp Nhà nước KC 07-26-05 là tính toán thiết kế, chế tạo
và khảo nghiệm thiết bị bốc dỡ - vận xuất gỗ rừng trồng cự ly ngắn. Trong đó,
thiết bị bốc dỡ gỗ là TTL lắp sau máy kéo Shibaura (hình 1-4).

4
3

7

5
8

6
2
1

10

9

Hình 1-4: TTL bốc dỡ gỗ lắp sau máy kéo Shibaura [5]
1 - Trụ xoay; 2 - Xi-lanh nâng hạ cánh tay; 3 - Bộ phận điều khiển;
4 - Xi-lanh co duỗi cẳng tay; 5 - Cánh tay; 6 - Cẳng tay; 7 - Cụm ngoạm;
8 - Gỗ; 9 - Chân chống; 10 - Máy kéo Shibaura
Qua khảo nghiệm cho thấy TTL bốc dỡ gỗ lắp sau máy kéo Shibaura
làm việc đạt yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên, năng suất và tính cơ động của thiết bị
chưa thực sự cao. Nếu khắc phục được tồn tại này thì đây sẽ là một thiết bị cơ
giới hoá bốc dỡ gỗ phù hợp với hoạt động qui mô vừa và nhỏ của các doanh

8

nghiệp, các hộ gia đình; góp phần nâng cao năng suất lao động và cải thiện
điều kiện làm việc nặng nhọc cho người lao động.
Qua tìm hiểu tình hình ứng dụng TTL trong công nghệ khai thác gỗ
cho thấy: TTL được sử dụng trong tất cả các loại hình công nghệ khai thác
gỗ. Ở các nước trên thế giới, người ta đã tính toán thiết kế và chế tạo được
nhiều loại TTL làm việc tin cậy với năng suất cao. Ở nước ta, cho đến nay,
TTL duy nhất sử dụng hiệu quả trong bốc dỡ gỗ là một thiết bị nhập ngoại
(TTL lắp trên máy kéo Volvo) nhưng hiện nay thiết bị này còn rất ít và nó
cũng không thực sự phù hợp với thực tiễn Việt Nam. Gần đây, các nhà khoa
học của chúng ta đã thiết kế và chế tạo thành công TTL bốc dỡ gỗ lắp sau
máy kéo Shibaura. Tuy nhiên, để tiến tới sản xuất hàng loạt và vận dụng
rộng rãi thiết bị này vào thực tiễn sản xuất ta cần thực hiện công tác hoàn
thiện thiết kế và đề ra một chế độ làm việc hợp lý thông qua việc giải quyết
một số bài toán về ĐLH.
1.2. Một số vấn đề về nghiên cứu động lực học máy trục
1.2.1. Nhiệm vụ, mục đích và nội dung của nghiên cứu động lực học máy
Về bản chất, lý thuyết ĐLH là một phần của cơ học lý thuyết nhằm
nghiên cứu các qui luật chuyển động cơ học của hệ dưới tác dụng của lực.
Trong cơ học, tĩnh học chỉ nghiên cứu qui luật cân bằng của vật rắn dưới
tác dụng của các lực, còn động học nghiên cứu chuyển động về mặt hình
học. ĐLH nghiên cứu chuyển động của vật thể một cách toàn diện nhằm
thiết lập mối quan hệ có tính chất qui luật giữa hai loại đại lượng: các đại
lượng đặc trưng cho tác dụng của lực và các đại lượng đặc trưng cho
chuyển động của vật thể [13]. Như vậy, “nhiệm vụ của ĐLH máy là vận
dụng các kiến thức về động lực để nghiên cứu các vấn đề riêng biệt của


9

ngành chế tạo máy, nhờ đó nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển động và
lực tác động cũng như ứng suất" [7].
Sự phát triển của ngành chế tạo máy yêu cầu không ngừng nâng cao chất
lượng của máy, trong đó vấn đề quan trọng là nâng cao tốc độ và giảm trọng
lượng máy. Điều này làm xuất hiện nhiều bài toán mới và phức tạp về mặt ĐLH.
Nếu trước đây việc tính toán và thiết kế máy chú trọng nhiều về bài toán tổng
hợp động học thì ngày nay do yêu cầu nêu trên, đặc biệt yêu cầu về sản xuất linh
hoạt thì vấn đề động lực học máy càng được chú trọng.[13]
Máy trục là một trong những phương tiện chủ yếu dùng để cơ giới hoá
công tác xếp dỡ, vận chuyển hàng hoá nhằm tăng năng suất, hạ giá thành sản
phẩm và đảm bảo điều kiện làm việc của người lao động, chúng được sử dụng
rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân.
Máy trục là loại máy làm việc theo chu kỳ, mỗi chu kỳ làm việc gồm ba
giai đoạn: khởi động, chuyển động với vận tốc ổn định và dừng máy. Trong
đó giai đoạn khởi động và dừng máy được gọi là những giai đoạn chuyển
động quá độ, các tải trọng động chủ yếu trong máy trục đều phát sinh trong
thời kỳ này.
Để tăng năng suất đòi hỏi phải nâng cao tốc độ và gia tốc chuyển động
của các thiết bị công tác dẫn đến tăng tác dụng của tải trọng động nên lên các
cơ cấu và kết cấu máy. Vì vậy, với mục đích nâng cao độ an toàn và tin cậy
khi làm việc cần phải nghiên cứu các hiện tượng ĐLH sinh ra trong quá trình
khai thác máy trục.
Theo quan điểm của ĐLH, cấu tạo của một máy bất kỳ đều gồm một số
bộ phận có khối lượng nhất định được tính như khối lượng tập trung và các bộ
phận đàn hồi. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, các bộ phận đàn hồi bị biến
dạng, còn khối lượng tập trung, ngoài chuyên động chính còn thực hiện các
chuyển động nhỏ, tức là dịch chuyển với vận tốc tức thời khác nhau. Vì vậy,

10

tại mỗi thời điểm, sự chuyển động của khối lượng này đều gây tác động đến
sự chuyển động của các khối lượng khác. Khi đó, các bộ phận đàn hồi liên kết
giữa các khối lượng cũng bị biến dạng biến đổi theo chu kỳ (dao động).
Thành phần biến đổi của lực hoặc mô-men khi dao động đàn hồi làm tăng giá
trị tức thời của chúng, vượt đáng kể tải trọng tĩnh và tải trọng quán tính, đó là
nguyên nhân dẫn đến quá tải, phá huỷ chi tiết máy. Tuỳ thuộc vào các thông
số ĐLH, ở nhiều cơ cấu tải trọng động đôi khi lớn gấp đôi giá trị tải trọng
tĩnh. [4]
Tuy nhiên, dù lớn hay nhỏ, sự tác động của lực hay mô-men thay đổi là
nguyên nhân gây phá huỷ chi tiết do mỏi. Theo các tài liệu thống kê, 90% chi
tiết máy trục bị phá huỷ vì mỏi do tác dụng của trọng động. [4]
Vì vậy, mục đích của nghiên cứu ĐLH máy trục là: xác định các
nguyên nhân phát sinh và gia tăng tải trọng động và các đặc tính biến đỏi của
nó, xác định các yếu tố lực và mô men tác dụng lên các bộ phận của máy, từ
đó tìm được các thông số tối ưu của máy trục, đảm bảo giảm lực quán tính và
xác định các thông số an toàn của máy. [4]
Một cách tổng quát, nghiên cứu ĐLH máy nói chung gồm các nội dung
chủ yếu sau:
1. Lập các sơ đồ tính toán ĐLH của máy,
2. Xác định các tham số ĐLH của hệ thống,
3. Xác định trị số và đặc tính thay đổi của tải trọng ngoài,
4. Lập mô hình toán mô tả chuyển động của các khối lượng trong hệ,
5. Xử lý (giải và mô phỏng) mô hình toán,
6. Nhận xét, đánh giá mô hình.
Những vấn đề nêu trên cho thấy, nghiên cứu ĐLH máy không chỉ có ý
nghĩa về mặt khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn rất cao. Đó là nguyên

11

nhân tôi lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu ĐLH máy cho luận văn tốt nghiệp cao
học của mình.
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu động lực học máy
Như trên đã trình bày, nghiên cứu ĐLH máy gồm 6 nội dung. Trong
đó, các nội dung 1, 2 và 3 có thể được giải quyết dễ dàng thông qua các
phương pháp cơ học; nội dung 6 chỉ là những đánh giá của người nghiên cứu
về mô hình; còn nội dung 4 và 5 là những nội dung đặc trưng cho phương
pháp nghiên cứu ĐLH máy. Vì thế, ta có thể hiểu phương pháp nghiên cứu lý
thuyết ĐLH máy chính là phương pháp lập và xử lý mô hình toán mô tả
chuyển động của các khối lượng trong cơ hệ.
* Phương pháp lập mô hình toán
Thông thường người ta lập mô hình toán mô tả dịch chuyển của cơ hệ
dưới dạng các phương trình vi phân (PTVP). Có nhiều phương pháp lập PTVP
cho cơ hệ như: phương pháp lực, phương pháp biến dạng, phương pháp phần tử
hữu hạn, phương pháp hệ con, phương pháp áp dụng phương trình Lagranger
loại II… Việc lựa chọn phương pháp này hay phương pháp khác phụ thuộc vào
mô hình cơ học của cơ hệ. Trong đó, đối với các cơ hệ hôlônôm, giữ và dừng (là
cơ hệ có các điều kiện ràng buộc được mô tả bằng những phương trình liên kết
và trong phương trình liên kết không chứa các yếu tố vận tốc và thời gian [13]),
người ta thường sử dụng phương pháp áp dụng phương trình Lagranger loại II.
Phương trình Lagranger hạng II có dạng tổng quát như sau:
d T T
 

 Qi 

dt q ij q ij
q ij q ij

Trong đó:
T - hàm động năng của hệ;
Π - hàm thế năng của hệ;
Ф - hàm hao tán của hệ;

(1-1)


12

Qi - lực suy rộng của hệ;
q ij , q ij - các toạ độ suy rộng của hệ.

Sau khi tìm được các hàm động năng, thế năng, năng lượng hao tán và
các lực suy rộng theo các toạ độ suy rộng, thay vào phương trình Lagranger
hạng II ta sẽ nhận được một hệ PTVP. Số lượng PTVP trong hệ tỷ lệ thuận
với số lượng của các khối lượng qui đổi trong mô hình. Bằng phương pháp
giải tích, một hệ PTVP luôn luôn có thể biến đổi được về một PTVP bậc cao
với số bậc phụ thuộc vào số PTVP trong hệ.
* Phương pháp xử lý mô hình toán
Nội dung của việc xử lý mô hình toán là việc giải và mô phỏng các
PTVP đã lập được. Thông thường ta có thể sử dụng các phương pháp giải tích
để thực hiện nội dung trên. Một trong những ưu điểm nổi bật của phương
pháp giải tích là có khả năng biểu diễn các qui luật biến đổi ĐLH dưới dạng
các công thức, giúp ta có thể đánh giá một cách dễ dàng sự ảnh hưởng lẫn
nhau của các thông số ĐLH. Vì vậy, trong những trường hợp PTVP không
quá phức tạp, người ta thường ưu tiên sử dụng phương pháp giải tích để giải
các PTVP.
Tuy nhiên, như đã trình bày ta thấy rằng, nếu lập mô hình cơ học của

hệ dưới dạng càng nhiều các khối lượng qui đổi, sẽ đồng nghĩa với việc nhận
được một PTVP có số bậc càng cao. Dẫn đến, việc giải và mô phỏng PTVP sẽ
trở lên khó khăn hơn rất nhiều. Ngày này, với sự trợ giúp của máy tính điện tử
đã khắc phục được vấn đề khó khăn nêu trên. Các hệ chương trình trợ giúp
đắc lực cho việc giải và mô phỏng PTVP có khá nhiều. Có thể kể ra đây bốn
chương trình tính toán đa năng được sử dụng phổ biến hơn cả là: Mathematca,
Maple, Mathcad và Matlab.


13

* Phương pháp kiểm tra tính tin cậy của mô hình toán
Sau khi thu được những kết quả từ mô hình toán của nghiên cứu lý
thuyết, để kiểm tra tính đúng đắn và độ tin cậy của mô hình người ta thường
phải tiến hành thực nghiệm. Trong thực nghiệm, người ta sẽ tiến hành các
phép đo để xác định các thông số thực và qui luật biến đổi thực của chúng.
Sau đó, tiến hành so sánh với những kết quả của tính toán lý thuyết, nếu sai
lệch trong phạm vi cho phép và có thể lý giải được nguyên nhân dẫn đến sự
sai lệch đó thì lý thuyết sẽ được chấp nhận.
Ngày này, thực nghiệm trong nghiên cứu ĐLH máy thường sử dụng
phương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện. Có nhiều phương pháp
đo các đại lượng không điện nhưng phổ biến hơn cả là phương pháp biến đổi
các đại lượng không điện thành đại lượng điện trung gian đi qua bộ phận
khuyếch đại, từ đó xác định ra các đại lượng cần đo. Sơ đồ nguyên lý của
phương pháp này như sau:
Cảm biến (Xenxơ)

Bộ xử lý và khuyếch đại

Bộ hiện thị

Băng từ

Bộ nhớ

Giấy ảnh

vvv…

Trong sơ đồ trên:
- Cảm biến là những chuyển đổi đo, chúng được bố trí trực tiếp trên đối
tượng cần đo. Về bản chất, chuyển đổi đo là các phần tử biến đổi các đại
lượng không điện thành đại lượng điện.


14

- Bộ xử lý và khuyếch đại có chức năng xử lý các tín hiệu và khuếch
đại chúng lên nhiều lần trước khi cung cấp cho bộ hiển thị.
- Bộ phận hiện thị có chức năng hiển thị các kết quả đo.
Hiện nay, bộ phận xử lý, khuyếch đại và lưu trữ được tích hợp chung
vào một thiết bị và được điều khiển bằng phần mềm riêng của chúng. Có
thể kể ra đây vài thiết bị và phần mềm thông dung như: thiết bị DMC Plus
và phần mềm điều khiển DMCLabplus; thiết bị Spider8 và phần mềm
Spider8 Conltrol; phần mềm Catmen có khả năng điều khiển cả hai loại
thiết bị nêu trên…
Thực nghiệm là một nội dung quan trọng của nghiên cứu ĐLH máy. Sự
tương đồng giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm là chỉ tiêu
quan trọng để đánh giá độ tin cậy, chất lượng và đẳng cấp của công trình
nghiên cứu. Tuy nhiên, để tiến hành thực nghiệm đòi hỏi điều kiện cho phép

về thiết bị, tài chính và nhân lực. Do những điều kiện khách quan và chủ
quan, trong đề tài này tôi không thực hiện nghiên cứu thực nghiệm.
1.3. Một số phần mềm trợ giúp trong nghiên cứu động lực học máy
Ngày nay, với sự trợ giúp của máy tính điện tử, nhiều nội dung phức
tạp của các bài toán ĐLH có thể được giải quyết một cách dễ dàng. Có nhiều
phần mềm ứng dụng trong cho nghiên cứu ĐLH, dưới đây chỉ giới thiệu tổng
quan về các phần mềm đề tài sẽ sử dụng.
- Đối với việc giải và mô phỏng PTVP thì Matlab & Simulink là
công cụ trợ giúp đắc lực và được sử dụng phổ biến hiện nay. Matlab &
Simulink là một chương trình lớn trong lĩnh vực toán số với thế mạnh là
tính toán và mô phỏng hệ thống. Phần cốt lõi của chương trình bao gồm
một số hàm toán, các chức năng nhập/xuất cũng như các chức năng điều
khiển chu trình. Thêm vào phần cốt lõi, người sử dụng có thể mua bổ sung