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 ( Luận án tiến sĩ)

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI - 2014


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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. BÙI HẢI TRIỀU

HÀ NỘI - 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được
cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 16 tháng 12 năm 2013
Tác giả luận án

Hàn Trung Dũng

i


LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy
hướng dẫn: PGS.TS. Bùi Hải Triều – Bộ môn Động lực, Khoa Cơ Điện, Trường
Đại học Nông nghiệp Hà Nội, người đã tận tình động viên, chỉ bảo, hướng dẫn và
giúp đỡ tôi trong nhiều năm để tôi đủ quyết tâm hoàn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo Bộ môn Động lực,
Khoa Cơ Điện, Ban Quản lý đào tạo, Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông
nghiệp Hà Nội và các khoa, phòng, ban, viện trong trường đã giúp đỡ về chuyên
môn cũng như tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc và tập thể cán bộ CNV Trung tâm
Giám định máy và thiết bị (trực thuộc Viện Cơ Điện NN và Công nghệ STH) đã
tạo điều kiện giúp đỡ tôi về thiết bị trong quá trình triển khai thí nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn Th.S. Lê Anh Sơn, giảng viên Bộ môn Động lực,
Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Nông nghiệp đã giúp đỡ phần mềm và công cụ
tính toán rất hiệu quả.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và
ngoài cơ quan và đặc biệt là các thành viên trong gia đình, đã giúp đỡ, ủng hộ,
động viên, góp ý kiến để tôi hoàn thành bản luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận án

Hàn Trung Dũng

ii


Với tất cả lòng chân triển MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ....................................................................x
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... xiii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................5
1.1.

Khái quát về tình hình phát triển máy kéo nông nghiệp ở nước ta .............5

1.1.1. Thực trạng trang bị máy kéo ở nước ta......................................................5

1.1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo máy kéo ở nước ta ......................................7
1.2.

Khái quát về tính chất chuyển động của máy kéo......................................8

1.3.

Sự cần thiết nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy kéo nông

nghiệp ...............................................................................................................11
1.4.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới về tính chất chuyển động của máy kéo 15

1.4.1. Quá trình và thành tựu nghiên cứu động lực học ô tô theo phương ngang....15
1.4.2. Tình hình nghiên cứu về tính chất chuyển động của máy kéo bánh .........19
1.5.

Tình hình nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo ở trong nước .24

1.6.

Mô hình động lực học nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo ...26

1.7.

Các mô hình bánh xe để nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo 30

1.8.

Kết luận phần Tổng quan ........................................................................37

Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................38
2.1.

Nội dung nghiên cứu...............................................................................38

2.2.

Phương pháp nghiên cứu.........................................................................38

2.2.1. Phương pháp mô hình hoá đối tượng nghiên cứu ....................................38
2.2.2. Phương pháp mô phỏng số kết hợp với mô phỏng thực nghiệm ..............40
2.2.3. Phương pháp giải bài toán chuyển động của ô tô máy kéo ......................43
2.2.4. Phương pháp đánh giá tính chất chuyển động của ô tô máy kéo ..............45

iii


2.2.5. Phương pháp thí nghiệm xác định các tham số đặc trưng của mô hình
nghiên cứu.........................................................................................................47
2.2.6. Xây dựng phương pháp thí nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động vòng
của máy kéo ......................................................................................................49
2.3.

Kết luận chương 2...................................................................................55

Chương 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP .57
3.1.

Lựa chọn mô hình động lực học chuyển động của máy kéo nông nghiệp 57

3.2.

Xây dựng mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo nông

nghiệp trong trường hợp tổng quát.....................................................................58
3.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình.........................................................58
3.2.2. Hệ thống phương trình vi phân mô tả tính chất chuyển động vòng..........59
3.2.3. Các quan hệ động học bổ sung................................................................61
3.2.4. Mô hình động cơ máy kéo ......................................................................63
3.2.5. Mô hình hệ thống truyền lực ...................................................................64
3.2.6. Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp...................................................71
3.2.7. Lực cản kéo của máy nông nghiệp ..........................................................76
3.3.

Thử nghiệm mô hình để khảo sát chuyển động vòng của máy kéo trên đất

nông nghiệp.......................................................................................................77
3.3.1. Mô hình một vết cho máy kéo có một cầu chủ động (4x2) ......................78
3.3.2. Sơ đồ khối thuật toán khảo sát tính chất chuyển động vòng của máy kéo
một cầu chủ động ..............................................................................................79
3.4.

Kết luận chương 3..................................................................................80

Chương 4. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY
KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP................................................................81
4.1.

Chọn đối tượng để khảo sát....................................................................81

4.2.

Khảo sát động lực học chuyển động vòng ..............................................82

4.2.1. Phương án thay đổi góc lái cuối .............................................................82
4.2.2. Phương án thay đổi tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng ..............................83
4.3.

Khảo sát chuyển động vòng ổn định ......................................................84

iv


4.3.1. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi góc lái cuối .........85
4.3.2. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi tỉ số truyền ..........85
4.3.3. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi lực cản kéo..........87
4.3.4. Các thông số vòng ổn định khi thay đổi phân bố trọng lượng.................88
4.4.

Khảo sát sự sai lệch quỹ đạo chuyển động so với quỹ đạo cho trước......92

4.4.1. Sai lệch quỹ đạo khi máy kéo quay vòng 900 .........................................93
4.4.2. Sai lệch quỹ đạo khi vòng 1800 không nút..............................................94
4.4.3. Sai lệch quỹ đạo khi vòng 1800 theo hình quả lê.....................................95
4.5.

Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính bánh xe khi làm việc trên các loại nền 97

4.6.

Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu khác đến quỹ

đạo chuyển động vòng.......................................................................................98
4.6.1. Trường hợp trọng tâm liên hợp máy bị lệch hẳn về một phía .................98
4.6.2. Trường hợp thay đổi tỷ số truyền khi quay vòng ....................................99
4.7.

Kết luận chương 4................................................................................100

Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM............................101
5.1.

Thí nghiệm xác định mô men quán tính Jz của máy kéo đối với trục đứng

qua trọng tâm ..................................................................................................101
5.2.

Xây dựng đặc tính động cơ bằng thực nghiệm .....................................105

5.3.

Thí nghiệm xác định đặc tính bánh xe máy kéo....................................106

5.3.1. Mô tả chung về thiết bị thí nghiệm bánh xe WTD-02...........................106
5.3.2. Sơ đồ lắp ráp các cụm chức năng .........................................................107
5.3.3. Sơ đồ truyền động cho bánh xe thí nghiệm...........................................108
5.3.4. Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường ...............................................................108

5.3.5. Kết nối thiết bị với máy kéo ngoài thực địa..........................................109
5.3.6. Tổ chức thí nghiệm ..............................................................................111
5.3.7. Kết quả thí nghiệm ..............................................................................111
5.3.8. Kết quả xác định các hệ số của mô hình bánh xe..................................113
5.4.

Thí nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng ..........................................116

5.4.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................116

v


5.4.2. Xây dựng hệ thống đo lường, thu thập và xử lý số liệu thí nghiệm quá
trình quay vòng máy kéo .................................................................................116
5.4.3. So sánh kết quả tính toán khảo sát theo mô hình mô phỏng với kết quả
thực nghiệm trên máy kéo MTZ-80 .................................................................122
5.5.

Kết luận chương 5.................................................................................125

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ............................................................................127
Kết luận...........................................................................................................127
Đề nghị............................................................................................................128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
ÁN ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Kí
hiệu
F
R



xF
 yF
 xR
 yF
 RF
RR
T
H
F
R

E
 E
LH
 LH
F
 F
R
 R







f
k
l
lF

Tên gọi

Đơn vị
tính
rad
Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu trước
rad
Góc lệch bên trung bình của hai bánh xe cầu sau
rad
Góc chuyển động lệch tại vị trí trọng tâm
rad
Góc xoay trung bình của hai bánh xe dẫn hướng cầu trước
quanh trục z trong theo hệ tọa độ thân xe
Hệ số bám dọc trung bình của các bánh xe cầu trước
Hệ số bám ngang trung bình của các bánh xe cầu trước
Hệ số bám dọc trung bình của các bánh xe cầu sau
Hệ số bám ngang trung bình của các bánh xe cầu sau
Hệ số bám tổng hợp của bánh xe cầu trước
Hệ số bám tổng hợp của bánh xe cầu sau

Hiệu suất truyền lực cơ khí
Hiệu suất truyền lực thủy lực
Hệ số phân bố tải trọng pháp tuyến trên cầu trước
Hệ số phân bố tải trọng pháp tuyến trên cầu sau
Hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt đường
rad/s
Vận tốc góc của trục khuỷu động cơ
rad/s2
Gia tốc góc của trục khuỷu động cơ
rad/s
Vận tốc góc của trục li hợp
rad/s2
Gia tốc góc của trục li hợp
rad/s
Vận tốc góc của bánh xe cầu trước
rad/s2
Gia tốc góc của bánh xe cầu trước
rad/s
Vận tốc góc của bánh xe cầu sau
rad/s2
Gia tốc góc của bánh xe cầu sau
rad
Góc lệch của phương lực kéo ở móc so với trục dọc máy kéo
rad
Góc xoay thân xe quanh trục z trong hệ tọa độ cố định
Vận tốc góc của thân xe xoay quanh trục z trong hệ tọa độ rad/s
thân xe
rad/s2
Gia tốc góc của thân xe quanh trục z trong hệ tọa độ thân xe
m

Bán kính cong của quỹ đạo trọng tâm của máy kéo
Hệ số cản lăn
Hệ số kéo của máy kéo
m
Chiều dài cơ sở của máy kéo
m
Khoảng cách từ trọng tâm máy kéo đến cầu trước

vii


lR
lM
lMF
lMR
m
rdF
rdR
rtF
rtR
B
C zF

CzR
C xF
CxR
C yF
C yR

FxF

FxR
FyF
FyR

FzF
FzR
FLF
FLR
FM
G
GM
JM
Jp
Jx
Jy

Khoảng cách từ trọng tâm máy kéo đến cầu sau
Khoảng cách từ cầu sau đến điểm móc máy nông nghiệp
Khoảng cách từ trọng tâm máy nông nghiệp đến cầu trước
Khoảng cách từ trọng tâm máy nông nghiệp đến cầu sau
Khối lượng của máy kéo
Bán kính động lực học của bánh xe cầu trước
Bán kính động lực học của bánh xe cầu trước
Bán kính tính toán của bánh xe cầu trước
Bán kính tính toán của bánh xe cầu sau
Chiều rộng cơ sở của máy kéo
Độ cứng theo phương thẳng đứng của bánh xe cầu trước
Độ cứng theo phương thẳng đứng của bánh xe cầu sau
Độ cứng của đường truyền lực đến bánh xe cầu trước
Độ cứng của đường truyền lực đến bánh xe cầu sau

Độ cứng theo phương ngang của bánh xe cầu trước
Độ cứng theo phương ngang của bánh xe cầu sau
Lực dọc trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
trước
Lực dọc trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
sau
Lực ngang trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
trước
Lực ngang trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe cầu
sau
Lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe
cầu trước
Lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc tác dụng lên các bánh xe
cầu sau
Lực cản lăn của đất đối với các bánh xe cầu trước
Lực cản lăn của đất đối với các bánh xe cầu sau
Lực cản kéo của máy nông nghiệp
Trọng lượng của máy kéo
Trọng lượng của máy nông nghiệp
Mô men quán tính của động cơ và phần chủ động của li hợp
Mô men quán tính của phần bị động của li hợp và các chi tiết
quay trong hộp phân chia
Mô men quán tính của máy kéo theo trục dọc x qua trọng
tâm
Mô men quán tính của máy kéo theo trục ngang y qua trọng
tâm

viii

m

m
m
m
kg
m
m
m
m
m
N/m
N/m
N/m
N/m
N/m
N/m
N
N

N
N

N
N
N
N
N
N
N
kg.m2
kg.m2

kg.m2
kg.m2


Jz
JF
JR
ME
M
M kF
M kR
M cq
Mp

M zF
M zR
S xF
S xR
S yF
S yR

S RF
S RR
v
vF
vR

Mô men quán tính của máy kéo theo trục z qua trọng tâm
Mô men quán tính qui đổi về trục quay của bánh xe cầu trước
Mô men quán tính qui đổi về trục quay của bánh xe cầu sau

Mô men quay trên trục khuỷu động cơ
Mô men quay truyền qua li hợp
Mô men chủ động trên bánh xe chủ động cầu trước
Mô men chủ động trên bánh xe chủ động cầu sau
Mô men cản quay vòng quanh trọng tâm máy kéo
Mô men phanh trên bánh xe chủ động
Mô men đàn hồi của các bánh xe cầu trước
Mô men đàn hồi của các bánh xe cầu sau
Độ trượt dọc của bánh xe cầu trước
Độ trượt dọc của bánh xe cầu sau
Độ trượt ngang của bánh xe cầu trước
Độ trượt ngang của bánh xe cầu sau
Độ trượt tổng hợp của bánh xe cầu trước
Độ trượt tổng hợp của bánh xe cầu sau
Vận tốc chuyển động của trọng tâm máy kéo
Vận tốc chuyển động của tâm bánh xe cầu trước
Vận tốc chuyển động của tâm bánh xe cầu sau

BX
DOF
IRRI

bánh xe
bậc tự do (degrees of freedom)
Viện nghiên cứu Lúa Quốc tế (International Rice Research
Institute)
MK
máy kéo
MKNN máy kéo nông nghiệp
MNN máy nông nghiệp

SXNN sản xuất nông nghiệp
2WD dẫn động 2 bánh (two wheel drive)
4WD dẫn động 4 bánh (four wheel drive)
2WS lái 2 bánh (two wheel steer)
4WS lái 4 bánh (four wheel steer)
WTD Thiết bị khảo nghiệm bánh xe (wheel testing device)

ix

kg.m2
kg.m2
kg.m2
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m
N.m

m/s
m/s
m/s


DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
TT

Tên hình

Trang

1.1

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

1.2

Sơ đồ biểu diễn các thông số đặc trưng động lực học chuyển động

11

1.3

Sử dụng mô hình phẳng một vết để khảo sát chuyển động vòng

27

1.4

28

1.5

Mô hình phẳng một vết để khảo sát chuyển động vòng của liên
hợp máy kéo và máy nông nghiệp
So sánh, phân cấp các mô hình bánh xe

2.1

Sơ đồ treo máy kéo theo mặt phẳng thẳng đứng

48

2.2

51

3.2

Sơ đồ tính toán các thông số động học quay vòng của máy kéo
khi sử dụng hai sensor vận tốc
Sơ đồ tính toán xử lý kết quả thí nghiệm quay vòng của máy
kéo khi sử dụng một sensor vận tốc
Sơ đồ một vết nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy
kéo 4x4
Sơ đồ động học của các cầu

3.3

Đường đặc tính ngoài của động cơ điêzen

63

3.4

Mô hình động lực học đường truyền lực của máy kéo 4x4

64

3.5

Sơ đồ xác định mô men cản xoay của bánh xe

65

3.6

72

3.8

Quan hệ phi tuyến giữa các lực và mô men với độ trượt theo
hai phương
Vòng tròn Kamm, trường hợp đạt đến giới hạn giữa lăn và trượt
của bánh xe
Sơ đồ khối mô phỏng đặc tính bánh xe máy kéo theo Burckhardt

3.9

Sơ đồ quay vòng của liên hợp máy

76

3.10

Sơ đồ một vết nghiên cứu chuyển động vòng của máy kéo 4x2

78

3.11

79

4.1

Sơ đồ khối mô tả thuật toán khảo sát tính chất chuyển động của
MK
Các phương án thay đổi góc lái cuối

4.2

Các phương án thay đổi tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng

83

4.3

Các thông số đặc trưng thay đổi theo góc lái cuối

85

4.4

Các thông số đặc trưng thay đổi theo số truyền

86

2.3

3.1

3.7

x

9

32

53
59
61

74
76

82


4.5

Góc chuyển động lệch của các cầu thay đổi theo số truyền

86

4.6

Các thông số đặc trưng thay đổi theo lực cản kéo

87

4.7

88

4.8

Góc chuyển động lệch của các cầu phụ thuộc vào lực cản kéo
máy nông nghiệp
Sơ đồ máy kéo ở thế vận chuyển với máy nông nghiệp treo sau

4.9

Sơ đồ máy kéo ở thế vận chuyển với máy nông nghiệp treo trước

89

4.10

Các thông số đặc trưng thay đổi theo sự phân bố trọng lượng

90

4.11

91

4.12

Góc chuyển động lệch của các cầu phụ thuộc vào sự phân bố
trọng lượng trên các cầu
Quỹ đạo vòng 900 cho trước và hàm góc lái trong khảo sát

4.13

Sai lệch quỹ đạo máy kéo YM-3000 khi quay vòng 900

93

4.14

Quỹ đạo vòng 1800 cho trước và hàm góc lái trong khảo sát

94

4.15

Sai lệch quỹ đạo máy kéo YM-3000 khi quay vòng 1800

95

4.16

Sơ đồ quay vòng 1800 hình quả lê và hàm góc lái

95

4.17

96

4.18

Sai lệch quỹ đạo máy kéo YM-3000 khi quay vòng 1800 hình
quả lê
Ảnh hưởng của đặc tính bánh xe đến quỹ đạo chuyển động vòng

4.19

Quỹ đạo và gia tốc trọng tâm khi thay đổi tọa độ trọng tâm dọc

98

4.20

Gia tốc ngang trọng tâm thay đổi theo số truyền

99

5.1

Sơ đồ bố trí thiết bị ghi dao động lắc của máy kéo được treo

102

5.2

Sơ đồ khối chương trình tính toán chu kỳ T0 và mô men quán
tính JZ bằng phần mềm DASYLab 7.0

Đồ thị dao động lắc của MTZ-80 quanh trục z qua trọng tâm

102

104

5.5

Đồ thị dao động lắc của máy kéo YM-3000 quanh trục z qua
trọng tâm
Đặc tính động cơ D-240

5.6

Đặc tính động cơ YM-3T84

105

5.7

107

5.8

Sơ đồ thiết bị thí nghiệm chuyển động lệch của bánh xe máy
kéo
Sơ đồ truyền động cho bánh xe thí nghiệm

5.9

Sơ đồ kết nối các phần tử của hệ thống đo lường

109

5.10

Thiết bị được liên kết với máy kéo nhờ hệ thống khung treo đặc
biệt

110

5.3
5.4

xi

89

93

97

103

105

108


5.11

110

5.12

Khung đo lực kéo được thiết kế chuyên dụng cho máy kéo
MTZ-80
Đặc tính bám trượt của bánh xe YM-3000 khi =0

5.13

Đặc tính thực nghiệm của bánh xe máy kéo Yanmar-3000

112

5.14

So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên ruộng gốc rạ

113

5.15

Đặc tính bám trượt trên đường asphalt

114

5.16

Đặc tính bám trượt trên đất gốc rạ

115

5.17

Sơ đồ hệ thống đo lường khi thí nghiệm quay vòng máy kéo

116

5.18

Sơ đồ lắp sensor V1 trên máy kéo

117

5.19

Sơ đồ bố trí thiết bị đo góc lái

118

5.20

118

5.22

Sơ đồ kết nối các thiết bị đo trong thí nghiệm chuyển động vòng
của máy kéo
Sơ đồ kết nối các module trong worksheet thí nghiệm quay

vòng
So sánh hai phương pháp xây dựng quỹ đạo chuyển động

5.23

Kiểm chứng mô hình trong trường hợp máy kéo vòng 180o

123

5.24

Kiểm chứng mô hình trong trường hợp máy kéo vòng 270o

124

5.25

Kiểm chứng mô hình trong trường hợp máy kéo vòng 360o

125

5.21

xii

112

119
120

DANH MỤC BẢNG

TT

Tên bảng

Trang

4.1 Các thông số của liên hợp máy kéo YM-3000 + MNN

90

5.1 Ma trận thí nghiệm để xây dựng đặc tính bánh xe máy kéo

111

5.2 Các hệ số theo mô hình Burckhardt của các bánh xe lắp trên máy
kéo Yanmar 3000 trên một số loại đường

114

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, vấn đề công
nghiệp hoá - hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn là một trong những nhiệm
vụ trọng tâm nhằm thúc đẩy quá trình chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông thôn, gắn

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

1


Nhiều năm qua, các nhà khoa học trong nước đã quan tâm nghiên cứu các

vấn đề về tính năng kéo bám, tính chuyển động êm dịu của MK và đã thu được
kết quả khá tốt. Rất nhiều công trình tập trung nghiên cứu cải tiến bộ phận di
động cho máy kéo bánh làm việc trên ruộng lúa nước. Kết quả là có nhiều kết
cấu di động mới ra đời như bánh sắt, bánh mấu cao, xích ôm lốp, di động nửa
xích để làm việc trên đất có độ ẩm cao. Tuy nhiên có thể thấy một thực tế là các
nghiên cứu cải tiến trên mới chỉ ưu tiên giải quyết vấn đề di động của MK, chưa
có điều kiện chú ý nhiều đến các tính năng khác không kém phần quan trọng của
máy kéo như tính điều khiển, khả năng quay vòng và tính ổn định chuyển động.
Theo các nhà khoa học, bên cạnh các nghiên cứu về động lực học hướng
dọc (truyền lực, kéo bám) và phương thẳng đứng (dao động) thì việc nghiên cứu
động lực học hướng ngang của MK (tính quay vòng, điều khiển, ổn định) là rất
cần thiết, có vậy mới đáp ứng đầy đủ được yêu cầu nghiên cứu toàn diện về MK.
Tuy nhiên do tính chất phức tạp của bài toán, cộng với sự thiếu thốn về các
phương tiện nghiên cứu cho nên đến nay, ở nước ta chưa có nhiều kết quả nghiên
cứu về vấn đề này. Đó thật sự là khoảng trống tri thức cần được lấp đầy.
Quỹ đạo và sự ổn định chuyển động của MKNN có ảnh hưởng lớn đến
năng suất và chất lượng làm việc của liên hợp máy, đến mức độ an toàn, chí phí
nhiên liệu và sự mệt nhọc của người điều khiển. Đặc biệt, do đặc thù và tính chất
chuyển động của liên hợp máy khi thực hiện cơ giới hóa các khâu canh tác trên
đồng ruộng, máy kéo phải quay vòng ở hai đầu bờ rất nhiều (thường chiếm từ 15
đến 25% tổng thời gian hoạt động). Vì vậy máy kéo có tính năng quay vòng tốt
và điều khiển liên hợp máy một cách hợp lý sẽ giảm đáng kể đường chạy không
và các chi phí hoạt động.
Máy kéo là một hệ thống động lực phức tạp (động cơ - truyền lực – di
động), về điểm này gần giống với ô tô, tuy nhiên chúng thường xuyên phải làm
việc trong điều kiện hết sức khó khăn và luôn thay đổi (đất đai, tải trọng máy
nông nghiệp) – điểm này khác hẳn với ô tô. Chính vì vậy mọi nghiên cứu không
mang tính hệ thống, không đi sâu vào bản chất vật lí của quan hệ máy - đất có thể
sẽ không đánh giá hết các tính chất động lực học của hệ thống, và do đó có thể vô

2


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

Phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu được lựa chọn phù hợp với
điều kiện cụ thể của nước ta nhằm đạt mục đích của đề tài và để kết quả có thể
ứng dụng được vào thực tế chế tạo và sử dụng MKNN hiện nay.

3


Không đặt tham vọng giải quyết trọn vẹn một vấn đề khoa học phức tạp,
trong phạm vi đề tài luận án, công trình này chỉ tiến hành những bước nghiên cứu
đầu tiên, có tính chất đặt cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo, nhằm góp phần xây
dựng luận cứ khoa học cho việc tính toán thiết kế, cải tiến hoặc lựa chọn và nâng
cao hiệu quả sử dụng các loại máy kéo 4 bánh, phục vụ tốt cho cơ giới hoá nông
nghiệp ở nước ta. Ngoài ra phương pháp tiếp cận và kết quả nghiên cứu có thể sẽ
đóng góp cho công tác đào tạo đại học và sau đại học trong lĩnh vực liên quan.
4. Những đóng góp mới của đề tài luận án
- Mô hình động lực học được xây dựng trong luận án đã mô tả khá đầy đủ
tính chất chuyển động vòng của MK 4 bánh trên đất nông nghiệp. Trong mô hình
đã tích hợp tương tác giữa động cơ, hệ thống truyền lực, bánh xe, đất và máy
nông nghiệp (MNN). Sử dụng kỹ thuật mô phỏng, có thể khảo sát linh hoạt các
phương án kết cấu, sử dụng MKNN. Các thông số vào của mô hình được xác
định bằng thực nghiệm. Độ tin cậy và chính xác của mô hình đã được đánh giá
thông qua các thí nghiệm đối chứng.
- Thiết bị thí nghiệm bánh xe đã thiết kế và chế tạo có tính cơ động cao,
phù hợp để thực hiện thí nghiệm trên đồng ruộng đối với cả bánh xe chủ động và
bị động. Với hệ thống đo và xử lý số liệu hiện đại có thể xác định các thông số
ảnh hưởng đến tính chất chuyển động của bánh xe MK trên mặt đường biến
dạng. Kết quả thí nghiệm là cơ sở dữ liệu để xây dựng mô hình bánh xe trong
nghiên cứu tính chất chuyển động của MK.
- Mô hình bánh xe là một mô hình bán thực nghiệm, trong đó tính toán các
lực và mô men trong diện tích tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đồng từ độ trượt dọc

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

4


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
1.1.1. Thực trạng trang bị máy kéo ở nước ta
Trải qua nửa thế kỷ phát triển cơ giới hoá nông nghiệp, tình hình trang bị
và sử dụng máy kéo ở nước ta có nhiều bước thăng trầm, phụ thuộc vào những
thay đổi cơ chế sản xuất nông nghiệp trong mỗi giai đoạn và ở từng vùng lãnh
thổ khác nhau.
Những năm 80 (của thế kỷ XX) trở về trước có thể nói các loại máy kéo
cỡ trung chiếm ưu thế tuyệt đối trong các trong các khâu canh tác, đặc biệt là
khâu làm đất và vận chuyển nông nghiệp. Không thể phủ nhận ưu thế và hiệu quả
to lớn của máy kéo vừa và lớn đối với phát triển kinh tế tập thể và sản xuất nông
nghiệp quốc doanh. Trong những năm cuối thế kỷ trước, do thực hiện cơ chế
khoán 10 theo mô hình kinh tế hộ nông dân, việc sử dụng máy kéo lớn trở nên
không còn phù hợp dẫn đến giải tán hàng loạt trạm đội máy kéo vốn được đầu tư
xây dựng khá quy củ cả về quản lý lẫn kỹ thuật. Theo đó, máy kéo nhỏ và cụ thể
là máy kéo hai bánh thực sự lên ngôi vì tỏ ra khá phù hợp với điều kiện ruộng đất
được chia thành lô thửa kích thước nhỏ, hơn nữa cũng rất hợp với khả năng đầu

tư trang bị của hộ nông dân.
Tuy nhiên trong những năm gần đây, một mặt do phát triển mô hình kinh
tế trang trại, mặt khác do chủ trương dồn điền đổi thửa, xây dựng những “cánh
đồng mẫu lớn” để tập trung hơn, chuyên môn hoá hơn nhằm tăng năng suất lao
động, tăng số lượng sản phẩm hàng hoá, đảm bảo tính thời vụ để quay vòng quỹ
đất thì các loại máy kéo cỡ trung đang hội nhập trở lại nhanh chóng và mở ra
triển vọng to lớn.
Mức độ trang bị động lực nói chung và máy kéo nói riêng trên một đơn vị
diện tích canh tác nông nghiệp phản ánh trình độ cơ giới hoá sản xuất nông
nghiệp ở mỗi nước. Theo số liệu báo cáo của Cục Chế biến, thương mại nông
lâm thủy sản và nghề muối (2011), ở các nước phát triển chỉ tiêu này đạt rất cao:
ở Mỹ là 125 mã lực/ha; Nhật 35mã lực/ha, Trung Quốc là 6,06 mã lực/ha. Ngay
ở các nước đang phát triển của khu vực Đông Nam Á, chỉ tiêu này cũng đạt

5


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full