Luận văn nghiên cứu một số tính chất ổn định hướng chuyển động của liên hợp máy kéo bánh hơi chuyển động trên dốc ngang

- 0 -
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học nông nghiệp i hà nội
-------------[\--------------



Vũ Đức Hải
vũ đức hải





Nghiên cứu một số tính chất ổn định hớng
chuyển động của liên hợp máy kéo bánh hơi
chuyển động trên dốc ngang


Chuyên ngành: Kĩ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông lâm nghiệp
Mã số: 60 52 14






Luận văn thạc sĩ kĩ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nông Văn Vìn




Thái Nguyên - 2005


mở đầu
ở nớc ta, vùng trùng du và miền núi chiếm 75% tổng diện tích đất tự
nhiên và chiếm 50% tổng diện tích đất canh tác của toàn quốc. Vùng đất này
đợc phân bố rải rác trên các sờn đồi, sờn núi và trong các thung lũng.
Chúng đợc phân bố trên các độ dốc và trên các độ cao khác nhau, nhiều vùng
nằm ở độ cao trên 500m. Với đặc trng khí hậu á nhiệt đới, vùng này cho
phép sản xuất nhiều sản phẩm nông-lâm nghiệp phong phú đa dạng, đáp ứng
yêu cầu tiêu dùng trong nớcvà xuất khẩu. Nhờ có khí hậu đặc trng nên vùng
này hiện đang có nhiều nông sản quý hiếm nh chè tuyết vùng cao; cây hơng
liệu nh quế, hồi; các loại cây dợc liệu quý nh đỗ trọng, tam thất; cây dẻ
hạt, ngoài ra vùng này còn có thể trồng các loại cây lơng thực để giải quyết
nhu cầu địa phơng.
Điều kiện cơ giới hoá nông nghiệp ở vùng đồi núi có những khó khăn,
trớc hết là địa hình phức tạp, độ dốc lớn và không đồng đều, đồng ruộng
phân bố manh mún với kích thớc lô thửa nhỏ, nhiều góc cạnh, đờng xá đi
lại rất khó khăn. Ngoài đặc điểm về địa hình, vùng núi còn là vùng có cơ cấu
cây trồng rất đa dạng, không thể cơ giới hoá trên diện tích rộng. Do đặc điểm

trên cần phải nghiên cứu thiết kế, cải tiến để có những loại máy riêng, phù hợp
với điều kiện tự nhiên, tập quán sản xuất của vùng núi.
Đối với các máy kéo làm việc trên đồi dốc, ngoài việc quan tâm đến
tính năng kéo bám, tính ổn định lật đổ thì tính ổn định hớng chuyển động
cũng rất cần đợc chú trọng. Tính chất ổn định hớng chuyển động có ảnh hởng
quyết định đến năng suất, chất lợng các khâu công việc canh tác bằng máy.
Những năm qua, vấn đề này đã đợc nhiều nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu. Tuy nhiên ở nớc ta hiện nay cha có điều kiện trang bị các loại
máy kéo chuyên dùng cho đồi dốc, vì vậy nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm cải

- 1 -

tiến các máy kéo nông nghiệp để có thể làm việc trên đồi dốc là một hớng
nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực.
Xuất phát từ định hớng đó, chúng tôi chọn đề tài luận văn:
Nghiên cứu một số tính chất ổn định hớng chuyển động của liên
hợp máy kéo bánh hơi chuyển động trên dốc ngang.
Mục đích nghiên cứu của đề tài là góp phần xây dựng cơ sở khoa học để
tính toán, thiết kế cải tiến và lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý các loại máy kéo
thông thờng khi làm việc trên đất dốc.

- 2 -

Chơng 1
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.1. Đặt vấn đề
Để đáp ứng yêu cầu cơ giới hoá vùng đất dốc, nhiều nớc công nghiệp
phát triển đã chế tạo ra các loại máy kéo chuyên dùng có tính an toàn cao, khả
năng kéo bám tốt, nhờ đó nâng cao hiệu quả sử dụng một cách rõ rệt. Tuy
nhiên, các loại máy này thờng rất đắt tiền. Vì vậy, xu hớng cải tiến các máy

kéo nông nghiệp thông dụng cho đồng bằng để đáp ứng phần nào các công
việc cơ giới hoá trên vùng đất dốc nông lâm nghiệp vẫn đợc áp dụng ở nhiều
nớc trên thế giới.
ở nớc ta, một mặt do nền công nghiệp chế tạo máy nói chung và chế
tạo máy kéo nói riêng cha phát triển, mặt khác do khả năng về vốn đầu t
của các nông hộ còn rất hạn chế nên việc cải tiến các máy kéo nông nghiệp
thông dụng ở đồng bằng để làm việc trên đất có độ dốc cao hơn vẫn là một
phơng án có tính khả thi. Tuy nhiên, với các công việc đòi hỏi các máy
kéo có công suất lớn hơn và có tính ổn định cao phải sử dụng các máy kéo
chuyên dùng .
Để giải quyết vấn đề trên, trớc hết là phải có những đầu t nghiên cứu
lựa chọn loại máy kéo nông nghiệp có thể cải tiến đợc. Sau đó cần nghiên
cứu cơ sở khoa học để công tác cải tiến đạt hiệu quả, không đòi hỏi chi phí
quá lớn và có thể thực hiện đợc trong điều kiện chế tạo ở nớc ta hiện nay.
1.2. Vài nét về tình hình sản xuất nông nghiệp ở vùng
trung du [10],[13]
Điều kiện sản xuất nông lâm nghiệp ở vùng đồi núi có những đặc thù
riêng, trớc hết là địa hình phức tạp hơn nhiều so với đồng bằng: độ dốc mặt

- 3 -

đồng lớn và không đồng đều, có nơi góc dốc lớn hơn 30
o
; Đồng ruộng phân bố
vụn vặt với kích thớc lô thửa thờng nhỏ và không vuông vắn; mặt đồng
không bằng phẳng, đờng xá đi lại rất khó khăn, thậm chí có nhiều khu không
có lối cho máy đi vào. Đặc điểm lớn thứ hai là cơ cấu cây trồng rất đa dạng
với các yêu cầu về cơ giới hoá cũng rất khác nhau, tính quy hoạch đồng ruộng
còn rất thấp, cùng một khu hoặc ngay trên cùng một lô ruộng có thể trồng
nhiều loại cây trồng khác nhau, cây lâm nghiệp xen lẫn cây nông nghiệp.

Xét về điều kiện thực hiện cơ giới hóa, những đặc điểm trên là những
nguyên nhân chính gây khó khăn cho việc thực hiện cơ giới hoá nông - lâm
nghiệp ở vùng đồi núi.
Máy kéo là nguồn động lực chính để thực hiện các khâu công nghệ sản
xuất nông lâm nghiệp, phải hoạt động trong những điều kiện rất khó khăn,
phức tạp, đặc biệt là đối với các máy kéo lâm nghiệp vì hầu hết các vùng đất
lâm nghiệp thờng phân bố ở độ dốc cao hơn, ít hoặc cha đợc cải tạo. Do
vậy đòi hỏi các loại máy kéo dùng cho vùng đồi núi nói chung và cho vùng
sản xuất lâm nghiệp nói riêng phải có tính ổn định cao,tính năng kéo bám tốt.
Để đáp ứng yêu cầu cơ giới hóa vùng đất dốc, nhiều nớc công nghiệp
phát triển đã chế tạo ra các loại máy kéo chuyên dùng có tính an toàn cao, khả
năng kéo bám tốt nhờ đó nâng cao đợc hiệu quả sử dụng một cách rõ rệt. Tuy
nhiên, các loại máy này thờng rất đắt tiền. Vì vậy, hớng cải tiến các máy
kéo nông nghiệp thông dụng cho đồng bằng để đáp ứng đợc một phần nào
các công việc cơ giới hóa trên vùng đất dốc nông lâm nghiệp vẫn đợc áp
dụng ở nhiều nớc trên thế giới.
ở nớc ta, một mặt do nền công nghiệp chế tạo máy nói chung và chế
tạo máy kéo nói riêng cha phát triển, mặt khác do khả năng về vốn đầu t
của các nông hộ còn rất hạn chế nên việc cải tiến các máy kéo nông nghiệp
thông dụng ở đồng bằng để làm việc trên đất có độ dốc cao hơn vẫn là một

- 4 -

phơng án có tính khả thi cao. Tuy nhiên, với các công việc đòi hỏi các
máy kéo có công suất lớn và có tính ổn định cao phải sử dụng các máy
kéo chuyên dùng.
Một lý do khác là trong những năm gần đây, mô hình sản xuất nông
lâm kết hợp đã phát huy tốt cả về hiệu quả sử dụng đất và sử dụng nhân lực,
góp phần tích cực phát triển kinh tế xã hội ở vùng trung du và miền núi. Để
khai thác tốt hơn các máy kéo nông nghiệp ở vùng này, nhất là trong những

thời gian nông nhàn cần tìm ra những biện pháp mở rộng phạm vi hoạt động
của các máy kéo bằng cách cải tiến kỹ thuật hoặc tạo ra thêm các việc làm cho
các liên hợp máy kéo.
Để giải quyết những vấn đề trên, trớc hết là phải có những đầu t
nghiên cứu lựa chọn loại máy kéo nông nghiệp có thể cải tiến đợc chừng mực
nhất định và công việc cải tiến không đòi hỏi chi phí quá lớn và có thể thực
hiện đợc trong điều kiện chế tạo ở nớc ta hiện nay.
1.3. Vài nét về tình hình phát triển máy kéo đồi dốc
trên thế giới và trong nớc [11], [13], [17]
1.3.1. Về hệ thống máy kéo đồi dốc ở các nớc phát triển
Đối với nhiều nớc phát triển, việc nghiên cứu máy kéo chuyên làm
việc trên đồi dốc đã mang tính hệ thống và đạt nhiều thành tựu, từ nghiên cứu
cơ bản đến công nghệ chế tạo. Trong thực tế đã xuất hiện nhiều loại máy kéo
đồi dốc có kết cấu khác nhau.
Phổ biến nhất là các loại máy kéo bánh có khung thăng bằng, hoàn
thiện hơn là loại máy kéo có cả khung và cả hệ thống di động luôn giữ thăng
bằng theo phơng thẳng đứng (hình 1.1). Nhờ kết cấu đặc biệt nh vậy, tính
ổn định ngang, tính năng lái và tính năng kéo bám tốt hơn hẳn các loại máy
kéo thông thờng. Những loại máy kéo này có thể làm việc có hiệu quả ở

- 5 -

những độ dốc cao hơn (tới 20-25
0
), trong khi các loại máy kéo nông nghiệp
thông thờng chỉ đợc phép sử dụng ở góc dốc nhỏ hơn khoảng 12-15
0
,.
a)
b)

c)
d)
e)

Hình 1.1. Một số loại máy kéo đồi dốc có khung tự cân bằng
Xu hớng chủ yếu cải tiến các loại máy kéo thông thờng, có công
dụng chung để phục vụ cơ giới hoá vùng đồi bao gồm:
- Hạ thấp trọng tâm máy kéo (hình 1.2,a);
- Lắp thêm trọng vật tăng trọng lợng bám (hình 1.2,b);
- Tăng bề rộng cơ sở hoặc dùng bánh kép (hình 1.2,c);
- Sử dụng hệ thống di động có tính năng kéo bám tốt (hình 1.2,d);
- Lắp thêm đối trọng ở cầu trớc kết hợp xoay truyền lực cuối cùng để
hạ thấp trọng tâm (hình 1.2,e).
Ngoài ra các loại máy kéo đồi dốc còn đợc cải tiến ghế ngồi của ngời
lái, lắp thêm các bộ phận an toàn nh cabin an toàn, bộ phận chống lật
Một giải pháp khác là sử dụng các loại máy kéo có truyền động thuỷ
lực. Các loại máy này có u thế mạnh trong các công việc khai hoang, làm đất
trồng rừng, trồng cây công nghiệp dài ngày, cây ăn quả. Vì ở các khâu này lực

- 6 -

cản máy công tác thay đổi trong phạm vi rộng và rất ngẫu nhiên, tăng giảm
đột ngột khiến cho ngời lái khó đoán trớc đợc và khó có thể điều chỉnh kịp
thời cho phù hợp, nhiều khi còn gây nguy hiểm cho sự an toàn thiết bị. Nếu
dùng truyền động thuỷ lực (côn thuỷ lực, hộp số thuỷ lực hoặc các bộ phận an
toàn thuỷ lực) sẽ có khả năng phát huy đợc công suất động cơ tốt hơn,
giảm đợc tải trọng động, tránh đợc quá tải cho các chi tiết trong hệ thống
truyền lực, an toàn cho các bộ phận làm việc, giảm thời gian dừng máy để
sang số, ngời lái đỡ căng thẳng thần kinh trong quá trình điều khiển máy
Những u điểm đó góp phần nâng cao năng suất và chất lợng công việc rất

đáng kể. Chính vì vậy xu thế chung là sử dụng ngày càng phổ biến các máy
kéo có hệ thống truyền động thuỷ lực cho các máy kéo đồi dốc.
b)
a)
c)
e)
d)

Hình 1.2. Một số phơng án cải tiến máy kéo để sử dụng trên đồi dốc[17]
ở các vùng đất độ dốc cao, chủ yếu sử dụng máy kéo xích hoặc các
máy kéo bánh chuyên dùng cho vùng đồi.
Đối với các nớc chậm phát triển hoặc đang phát triển, việc trang bị
một hệ thống máy kéo cho quốc gia của mình chủ yếu là theo con đờng nhập
khẩu. Tuy nhiên do hạn chế về vốn, để tiết kiệm vốn và đồng thời để kích

- 7 -

thích, tạo điều kiện cho công nghiệp trong nớc phát triển, nhiều nớc đang
phát triển cũng đã hình thành và phát triển ngành chế tạo máy kéo.
1.3.2. Tình hình phát triển máy kéo đồi dốc ở Việt nam
Công tác nghiên cứu, thiết kế, hế tạo máy kéo ở nớc ta bắt đầu khá
sớm, từ năm 1962 đã nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm loại máy kéo
MTZ-7M (lấy tên là "Tháng Tám"). Tiếp theo đó, liên tục đã có nhiều chơng
trình nghiên cứu khoa học cấp nhà nớc về chế tạo máy kéo nhng cho đến
nay cha có mẫu máy kéo lớn nào đợc sản xuất chấp nhận. Nguyên nhân
chính là chúng ta cha có những hệ thống máy móc thiết bị hiện đại đáp ứng
đợc yêu cầu chế tạo các loại máy có kết cấu phức tạp, đòi hỏi độ chính xác
cao, cha có cả công nghệ hợp lý hoặc tiên tiến và cha có cả những kinh
nghiệm thiết kế Có thể nói sự phát triển của ngành chế tạo máy kéo ở nớc
ta vẫn đang ở thời kỳ nghiên cứu thăm dò.

Trong thời kỳ bao cấp, miền Bắc chủ yếu nhập các loại máy kéo từ các
nớc Liên Xô, Trung Quốc và các nớc Đông Âu, trong đó số lợng máy kéo
nhập từ Liên Xô chiếm nhiều nhất. Về chất lợng, qua thực tế sử dụng nhiều
năm đã khẳng định loại máy kéo bánh MTZ-50/80 và loại máy kéo xích DT-
75 do Liên Xô chế tạo là phù hợp với điều kiện sản xuất ở nớc ta thời kỳ đó.
Sau nghị quyết 10 của Bộ Chính trị, ruộng đất đợc giao cho nông dân
sử dụng lâu dài, kích thớc ruộng bị thu hẹp, manh mún, các máy kéo lớn
không phát huy đợc hiệu quả sử dụng và thay vào đó là các loại máy kéo
công suất nhỏ nhập từ Trung Quốc, Nhật bản hoặc chế tạo trong nớc.
Các máy kéo đợc nhập ồ ạt từ nớc ngoài không đợc quản lý về chất
lợng và cũng không có những chỉ dẫn cần thiết của các cơ quan khoa học.
Hậu quả của việc trang bị máy móc thiếu những căn cứ khoa học cần thiết dẫn
đến nhiều chủ máy bị phá sản hoặc hiệu quả sử dụng rất thấp, cha thật sự có

- 8 -

tác dụng kích thích phát triển sản xuất nông nghiệp. Đây cũng là những bài học
thực tế cho cả các nhà khoa học, các nhà quản lý và những ngời sử dụng máy.
Trong những năm gần đây, xu thế là nhập các loại máy kéo có công suất
lớn hơn và hiện đại hơn nh T-130, MTZ80A (Liên Xô), KOMATSU, D53A,
D53P, D85A (Nhật Bản). Các loại máy kéo này bớc đầu đã phát huy hiệu
quả. Tuy nhiên do giá thành đắt nên không có khả năng áp dụng rộng rãi trong
sản xuất.[13]
Riêng về hệ thống máy kéo đồi dốc, có thể nói hầu nh cha có ở nớc
ta. Phần lớn các công việc cơ giới hóa bằng máy trên đất dốc hiện vẫn sử dụng
các loại máy kéo thông thờng. Điều đó đã hạn chế rất nhiều đến các chỉ tiêu
làm việc của máy kéo cũng nh độ an toàn cho ngời sử dụng máy. Để giải
quyết vấn đề này, nhiều cơ quan khoa học và nhiều nhà khoa học đã tập trung
nghiên cứu cải tiến các máy kéo thông thờng hoặc các máy kéo nông nghiệp
thiết kế cho đồng bằng nhằm mục đích sử dụng trên đất dốc. Tuy nhiên cho

đến nay, theo các tài liệu đã công bố thì lĩnh vực này cha đạt đợc nhiều kết
quả cho lắm.
1.4. Khái quát chung về tính ổn định của máy kéo khi
làm việc trên dốc nghiêng ngang
Khác với các máy kéo đồng bằng, chỉ tiêu kéo bám đợc xem là quan
trọng nhất thì đối với các loại máy kéo đồi dốc ngời ta thờng phải quan tâm
nhiều hơn đến tính ổn định, bao gồm tính ổn định theo điều kiện lật đổ và tính
ổn định hớng chuyển động.
Tính ổn định của máy kéo là khả năng đảm bảo giữ đợc quỹ đạo
chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện khác nhau. Tùy thuộc vào điều
kiện sử dụng, máy kéo có thể đứng yên, chuyển động trên đờng dốc (dốc

- 9 -

nghiêng dọc hoặc dốc nghiêng ngang), có thể quay vòng hoặc phanh ở các
loại đờng khác nhau. Trong những điều kiện chuyển động phức tạp nh vậy,
máy kéo cần phải giữ đợc quỹ đạo chuyển động của nó sao cho không bị lật
đổ, không bị trợt hoặc máy kéo chỉ bị xoay lệch trong giới hạn cho phép để
đảm bảo cho chúng chuyển động an toàn và đúng hớng. Căn cứ theo nhiệm
vụ nghiên cứu, dới đây chỉ trình bày khái quát về tính ổn định của máy kéo
bánh khi chuyển động trên dốc nghiêng ngang.
1.4.1. Tính ổn định ngang của máy kéo bánh hơi khi chuyển
động thẳng trên đờng nghiêng ngang
Hình 1.3 trình bày sơ đồ các lực và mô men tác động lên ô tô máy kéo
bánh khi chuyển động trên đờng nghiêng ngang không kéo moóc.
Hình 1.3. Sơ đồ các lực và
mô men tác dụng lên máy
kéo khi chuyển động thẳng
trên dốc nghiêng ngang

Giả thiết vết của bánh xe trớc và sau trùng nhau, trọng tâm của máy nằm
trong mặt phẳng đối xứng dọc, lực và mô men tác dụng lên máy kéo gồm có:
G - trọng lợng của máy kéo.
M
j
- mô men của các lực quán tính tiếp tuyến tác dụng trong mặt phẳng
ngang khi máy kéo chuyển động không ổn định.
Y
'
, Y
''
- các phản lực thẳng góc từ đờng tác dụng lên bánh xe bên dới
và bên trên dốc.
- góc nghiêng ngang của dốc.
Z', Z'' - các phản lực ngang tác dụng lên bánh xe bên dới và bên trên dốc.

- 10 -

Dới tác dụng của các lực và mô men, khi góc tăng dần tới góc giới
hạn, máy bị lật quanh trục A (A là giao tuyến của mặt phẳng thẳng đứng qua
trục bánh xe bên dới dốc và mặt đờng). Lúc đó: Y'' = 0.
Khi đó:
0
sincos
2
''
=

=

B
MGh
B
G
Y
jdgd

(1.1)
ở đây coi M
j
0 vì trị số nhỏ có thể bỏ qua, máy không kéo moóc nên
P
m
= 0. Vì vậy xác định đợc góc giới hạn lật đổ khi máy kéo chuyển động
trên đờng nghiêng ngang:

g
d
h
B
tg
2
=

(1.2)
Trong đó:
d
- góc dốc giới hạn khi máy kéo bị lật đổ.
Khi chất lợng bám của bánh xe với đờng kém, máy có thể bị trợt khi
chuyển động trên đờng nghiêng ngang. Để xác định góc giới hạn khi máy bị

trợt, có phơng trình:

( )


cossin
''''''
GYYZZG
yy
=+=+=
(1.3)
Trong đó:


- góc dốc giới hạn khi máy kéo bị trợt.


y

- hệ số bám ngang giữa bánh xe và đờng.
Rút gọn công thức (1.3) sẽ đợc:

y
tg


=
(1.4)
Điều kiện để máy trợt trớc khi bị lật đổ khi chuyển động trên đờng
nghiêng ngang:

) hay
d
tgtg



)
2
g
y
h
B


(1.5)
Trờng hợp máy kéo đứng yên trên đờng nghiêng ngang, góc giới hạn

- 11 -

mà máy bị lật đổ sẽ là:
g
t
h
B
tg
2
=

(1.6)

Trong trờng hợp máy kéo đứng yên trên đờng nghiêng ngang thì góc
giới hạn mà máy bị trợt và điều kiện để máy trợt trớc khi bị lật đổ nh sau:

'
y
tg


=
(1.7)

t
tgtg



hay

g
y
h
B
2


(1.8)
1.4.2. Tính ổn định động ngang của máy kéo bánh hơi khi
chuyển động quay vòng trên đờng nghiêng ngang.
Hình 1.4 trình bày sơ đồ các lực và mô men tác động lên ô tô máy kéo
bánh khi chuyển động vòng trên đờng nghiêng ngang.

Hình 1.4. Sơ đồ lực và mô men tác động lên máy kéo khi chuyển động vòng trên
đờng nghiêng ngang
a) Sơ đồ quay vòng; b) Sơ đồ lực tác dụng
a) Theo điều kiện lật đổ
Khi máy kéo quay vòng, xem nh máy đang chuyển động quanh sờn
đồi, ngoài các lực đã trình bày ở trên, máy kéo còn chịu tác dụng của lực ly

- 12 -

tâm P
j
đặt tại trọng tâm của máy và lực kéo P
m
. Trờng hợp này coi phơng
của lực kéo tác dụng theo phơng nằm ngang. Các lực P
j
và P
m
đều phân ra 2
thành phần do góc nghiêng ngang . Khi góc tăng dần, đồng thời dới tác
dụng của lực P
j
, máy sẽ bị lật đổ quanh mặt phẳng đi qua trục O
1
(là giao tuyến
giữa mặt đờng và mặt phẳng thẳng góc qua trục bánh xe bên dới dốc) ứng
với vận tốc giới hạn và hợp lực Y
''

= 0.






+












+







=
ddg

ddmmdgd
n
B
hG
gR
B
hPh
B
G
v


sin
2
cos
sin
2
cossincos
2
2
(1.9)
Trờng hợp máy kéo không kéo moóc thì P
m
= 0, sẽ xác định đợc vận
tốc giới hạn (hay còn gọi là vận tốc nguy hiểm) khi máy bị lật đổ nh sau:

+







=
ddg
dgd
n
B
hG
gRh
B
G
v


sin
2
cos
sincos
2
2
(1.10)
Rút gọn 2 công thức trên sẽ có:

}
dg
dg
ddg
dgd
n
tgh
B
tgh
B
gR
v
B
h
h
B
gR
v
n




2
1
2
sin
2
cos

sincos
2
+







=
+







=
(1.11)
Trong đó:
d

- góc giới hạn khi máy kéo quay vòng bị lật đổ.
R- bán kính quay vòng của xe.
v - vận tốc chuyển động quay vòng (m/s)
v
n
- vận tốc giới hạn (hay vận tốc nguy hiểm).

g - gia tốc trọng trờng.

- 13 -

Nếu hớng nghiêng của đờng cùng phía với trục quay vòng thì vận tốc
nguy hiểm khi máy bị lật đổ nh sau:

dg
dg
n
tgh
B
tgh
B
gR
v


2
1
2







+
=

(1.12)
b) Theo điều kiện bị trợt bên
Khi quay vòng trên đờng nghiêng ngang, máy có thể bị trợt bên, dới
tác dụng của thành phần lực Gsin và P
j
cos do điều kiện bám ngang của
bánh xe và đờng không đảm bảo.
( ) ( )


sincossincos
''''''
jyj
PGYYZZGP
y
=+=+=+
(1.13)
Vận tốc giới hạn khi máy bị trợt bên:

( )
()







+

=
+

=










tg
tggR
v
gR
v
y
y
y
y
1
sincos
sincos
(1.14)
Nếu hớng nghiêng của đờng cùng phía với trục quay vòng thì vận tốc
giới hạn khi máy bị trợt bên:

( )





tg
tggR
v
y
y

+
=
1
(1.15)
Trờng hợp máy kéo quay vòng trên đờng nằm ngang thì vận tốc giới
hạn để máy kéo bị trợt bên sẽ là:

y
gRv


=
(1.16)
Trong đó:


- góc giới hạn của đờng ứng với vận tốc giới hạn.
y

- hệ số bám ngang của đờng và bánh xe.

- 14 -

Qua các công thức đợc trình bày ở trên, có thể nhận xét rằng góc dốc
giới hạn và vận tốc nguy hiểm mà tại đó máy kéo bị lật đổ hoặc bị trợt bên
khi chuyển động trên đờng ngang phụ thuộc vào tọa độ trọng tâm, bán kính
quay vòng và hệ số bám ngang của bánh xe với đờng.
Ngoài ra khi máy kéo chuyển động còn bị mất ổn định ngang do ảnh h-
ởng của các yếu tố khác nh lực gió ngang, do đờng mấp mô và do phanh
trên đờng trơn...
Hình 1.5. Sơ đồ lực tác
dụng lên bánh xe máy kéo
chịu lực ngang
z

Trên hình (1.5), R là hợp lực của lực kéo tiếp tuyến P
k
và lực ngang Z
(phản lực ngang Z do lực ngang P
y
). Hợp lực R có điểm đặt là điểm tiếp xúc
giữa bánh xe và đờng qua trục bánh xe và đợc xác định theo công thức:

22
ZPR
k
+=
(1.17)

Theo điều kiện bám: R = R
max
= G
b
và phản lực ngang cũng đạt giá trị
cực đại Z = Z
max
.
Thay giá trị Z
max
và R
max
vào công thức (1.17) nhận đợc:

()
2
2
22
maxmax kbk
PGPRZ ==

(1.18)
Theo công thức (1.18) khi lực kéo P
k
càng lớn thì Z càng nhỏ. Khi lực
kéo P
k
hoặc lực phanh P
p
đạt đến giới hạn lực bám thì Z

max
= 0. Do đó chỉ cần
một lực ngang rất nhỏ tác dụng lên bánh xe thì nó bắt đầu trợt. Sự trợt này
sẽ dẫn đến hiện tợng quay vòng thiếu (khi bánh xe trớc xảy ra sự trợt) hoặc

- 15 -

quay vòng thừa (khi bánh xe sau bị trợt). Hiện tợng quay vòng thừa rất nguy
hiểm trong quá trình chuyển động của máy kéo khi có lực ngang tác dụng.
1.5. Nhận xét chung
- Trên thế giới đã chế tạo ra nhiều loại máy kéo chuyên dùng cho vùng
đồi núi với tính năng kỹ thuật đáp ứng cao các yêu cầu cơ giới hoá sản xuất
nônglâm nghiệp trên đất dốc. Song do giá thành cao nên cha thể áp dụng
phổ biến ở nớc ta.
- Tình trạng phát triển của ngành chế tạo máy kéo ở nớc ta rất chậm và
trong nhiều năm tới cha thể chế tạo đợc các máy kéo lớn, có chất lợng kỹ
thuật cao đáp ứng đợc yêu cầu cơ giới hoá sản xuất nônglâm nghiệp.
- Phơng án cải tiến các máy kéo nông nghiệp thông thờng để tăng
khả năng làm việc trên đất nônglâm nghiệp có độ dốc đến 20
0
vẫn đang đợc
sử dụng ở nhiều nớc trên thế giới và có thể áp dụng có hiệu quả trong điều
kiện ở Việt Nam.
- Điều kiện kinh tế của các nông hộ vùng trung du và miền núi còn
nhiều hạn chế, qui mô các trang trại nônglâm nghiệp còn nhỏ. Do đó trang bị
loại máy kéo công suất cỡ trung (khoảng 30- 35 mã lực) là phù hợp.
- Một trong những yêu cầu đối với máy kéo đồi dốc phải có tính ổn
định và an toàn chuyển động. Đây là bài toán phức tạp, do đó cần phải nghiên
cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, tiệm cận dần đến bài toán thực.
Từ những tổng quan trên,đề tài đã đặt ra mục tiêu và nhiệm vụ nghiên

cứu là:
Mục tiêu nghiên cứu :
xây dựng đợc mô hình toán nghiên cứu tính ổn định hớng chuyển
động của máy kéo khi làm việc trên dốc ngang, khảo sát ảnh hởng của một
số yếu tố đến tính ổn định chuyển động làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế

- 16 -

cải tiến hoặc lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý các liên hợp máy kéo trên vùng
đất dốc.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
1- Xây dựng mô hình toán nghiên cứu tính ổn định hớng chuyển động
trên dốc ngang.
2- Xây dựng thuật giải và chơng trình để giải bài toán mô hình.
3- Khảo sát trên máy vi tính một số yếu tố kết cấu và độ dốc đến tính
ổn định hớng chuyển động của máy kéo.


- 17 -

Chơng 2
Một số cơ sở lý thuyết về tính ổn định hớng
chuyển động của máy kéo trên dốc ngang
2.1. Khái quát chung về chuyển động lệch của máy kéo
trên dốc ngang [17], [22], [23]
Khi liên hợp máy làm việc trên mặt phẳng ngang thì trọng tâm của máy
so với bề mặt đồng không thay đổi, các phản lực trên các bánh xe máy kéo
cũng nh trên bánh tựa đồng của máy nông nghiệp cũng không đổi. Kết quả
là, tính ổn định chuyển động thẳng đợc bảo toàn và điều kiện làm việc của
ngời lái là thuận lợi nhất. Các chỉ tiêu kéo bám đạt giá trị cao nhất và chi phí

nhiên liệu là nhỏ nhất.
Trong thực tế, không thể có mặt phẳng tuyệt đối trên mặt đồng mà
thờng lồi lõm và không bằng phẳng... khi đó khung máy kéo sẽ bị nghiêng đi
một một góc nào đó. Góc nghiêng này thay đổi phụ thuộc vào độ lồi lõm h
của đờng cày và bề rộng vết bánh của máy kéo (hình 2.1,a):

1
= arctg(h / B) (2.1)
Thờng h << B nên góc nghiêng
1
nhỏ đến mức không gây ảnh hởng
đến đặc tính chuyển động của máy.
Theo khả năng giữ thăng bằng của khung máy kéo, các máy kéo đồi
dốc có thể phân thành 2 loại :
1) Máy kéo có khung tự giữ đợc trạng thái thăng bằng trên dốc ngang,
gọi tắt là máy kéo có khung thăng bằng ;
2) Máy kéo cải tiến từ máy kéo đồng bằng bằng cách hạ thấp trọng tâm
và tăng bề rộng, gọi tắt là các máy kéo thông thờng.
Trớc hết xét sự chuyển động của máy kéo thông thờng trên dốc
ngang. Trục bánh xe máy kéo nghiêng so với mặt phẳng ngang một góc khác

- 18 -

với góc nghiêng của dốc (do địa hình, biến dạng của đất và của bánh xe)
nhng để đơn giản ta coi hai góc đó bằng nhau.
Khi máy kéo chuyển động trên bề mặt cứng ít bị biến dạng thì góc
nghiêng của trục máy kéo lớn hơn một chút so với độ nghiêng của dốc. Sở dĩ
có điều này bởi các bánh dới dốc của máy kéo chịu tải lớn hơn và mức độ
biến dạng nhiều hơn so với các bánh xe phía trên dốc. Góc nghiêng thêm của
trục đợc xác định bởi mức độ chênh lệch biến dạng của các bánh xe, tính

chất cơ lý của đất:

= arctg(h


h


)/ B (2.2)
Trong đó: h


và h


là biến dạng của bánh dới và bánh trên dốc
a)
b)
c)

Hình 2.1. Xác định góc nghiêng của trục bánh máy kéo trên dốc ngang


a. Khi máy kéo chuyển động trên bề mặt cứng


b. Khi bánh trên dốc của máy kéo nằm trong rãnh cày

c. Khi bánh dới dốc của máy kéo nằm trong rãnh cày

Đối với các máy kéo thông thờng, khi tăng bề rộng vết bánh thì ảnh
hởng của biến dạng lốp sẽ giảm và sẽ làm giảm góc nghiêng thêm . Góc
nghiêng thêm của trục bánh máy kéo sẽ thay đổi đáng kể khi máy kéo chuyển
động trên mặt luống cày lồi lõm: nếu các bánh trên nằm trong rãnh cày (hình
2.1,b) thì góc nghiêng của trục máy kéo giảm đi so với góc nghiêng của dốc.
Góc nghiêng thêm phụ thuộc vào độ sâu của rãnh cày:

- 19 -



= arcsin(h/B) (2.3)
Trong đó: h là độ sâu của rãnh cày.
Tổng góc nghiêng của trục máy kéo trên dốc
z
đợc tính theo góc dốc , góc
nghiêng thêm do biến dạng khác nhau giữa các bánh trên và các bánh dới
và góc nghiêng thêm do độ sâu của rãnh cày:

z
= +
'
(2.4)
Trong công thức (2.4) dấu (-) đợc lấy khi cày lật đất lên phía trên dốc,
lấy dấu (+) khi cày lật đất xuống phía dới dốc.
Thay các giá trị của góc và

từ các công thức (2.2) và (2.3) vào (2.4)
ta có: = + arctg[(h

- h


)/B] arcsin(h/B) (2.5)
(độ)
Hình 2.2.
Sự phụ thuộc của
góc nghiêng trục
máy kéo vào góc
dốc[17]
(độ)

Nh vậy sự phân bố lại tải trọng trên các bánh xe thông thờng không
chỉ phụ thuộc vào góc dốc mặt đồng mà còn phụ thuộc vào áp suất không khí
trong lốp, prophin bề mặt dốc và phơng thức cày. Độ nghiêng của máy kéo
đợc giảm xuống khi máy kéo cày lật đất lên phía trên dốc (hình 2.2).
Chuyển động phức tạp nhất của máy kéo trên dốc là khi quay vòng, khi
đó tải trọng trên các bánh xe của máy kéo sẽ thay đổi. Độ cong của quỹ đạo
chuyển động tùy thuộc vào bán kính quay vòng và hớng vòng lên trên hay
xuống dới dốc. Bán kính quay vòng trên dốc cần đảm bảo an toàn chuyển
động. Không đợc phép hãm phanh các bánh phía trong đờng vòng khi
chuyển động ở góc dốc giới hạn (xem mục 1.4.2).

- 20 -

Khi máy kéo chuyển động ngang dốc sẽ xuất hiện chuyển động lệch và
máy kéo tự đi xuống phía chân dốc. Ngay cả khi không xoay bánh lái liên hợp
máy vẫn đi xuống dốc do trợt ngang. Độ chuyển động lệch sẽ tăng lên khi
tăng góc dốc và chiều dài đờng chạy. Chuyển động lệch đợc đặc trng bởi

góc lệch của trục dọc máy kéo và độ dịch chuyển l của bánh chủ động khỏi
vị trí ban đầu. Thông thờng cả các bánh trớc và các bánh sau đều bị trợt.
Mức độ trợt chủ yếu phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất, góc dốc và tải
trọng trên các bánh xe. Độ chuyển động lệch của máy kéo tăng khi độ trợt
của các bánh xe tăng.
Khi chuyển động trên dốc, tải trọng trên các bánh sau là lớn nhất do
một phần trọng lợng máy nông nghiệp phân bố lên, do đó lớp đất dới bánh
xe sẽ bị phá hủy nhiều hơn. Sự trợt xuống dốc của các bánh sau nhiều hơn so
với các bánh trớc, khi đó trục dọc của máy sẽ bị xoay lên phía trên dốc. Trị
số độ trợt sẽ không đổi đối với cùng một góc dốc và phụ thuộc vào độ bám
của bánh xe với đất và thành phần trọng lợng Gsin.
Có hàng loạt nguyên nhân ảnh hởng đến tính ổn định chuyển động
thẳng của máy kéo và sự ảnh hởng đó đợc đánh giá thông qua góc chuyển
động lệch và độ dịch chuyển của máy so với phơng ban đầu.
Đối với các máy kéo có khung thăng bằng, phơng trọng lực luôn trùng
với mặt phẳng dọc của khung nên sẽ loại trừ đợc ảnh hởng của độ dốc, độ
không bằng phẳng của mặt đồng, sự chênh lệch về áp suất các bánh xe phía
trên và phía dới dốc.
Nh vậy, đối với cả hai loại máy kéo làm việc trên dốc đều vừa có sự
chuyển động lệch bên, vừa có sự trợt xuống phía dới dốc (hình 2.3).

- 21 -


Chuyển động lệch bên có hai dạng: dạng 1 khi trục dọc của máy hớng
xuống chân dốc, dạng 2 khi trục dọc của máy hớng lên trên dốc. Khi chuyển
động lệch, trục của liên hợp máy có một độ nghiêng dọc. Bình thờng nếu nh
không tác động lực phụ trợ để máy kéo đi lên phía trên dốc thì máy kéo sẽ
chuyển động theo hớng xuống dới. Trục dọc của máy kéo trong trờng hợp
này hớng xuống phía dới. Có thể tính đợc góc nghiêng của trục dọc của

máy kéo khi biết góc chuyển động lệch bên và góc dốc :
Hình 2.3
Chuyển động của máy kéo
theo đờng xiên

x
= arcsin (sin

sin ) (2.6)
Từ công thức (2.6) thấy rằng khi = 0 thì sin
x
= 0 và
x
= 0
Máy kéo sẽ dịch chuyển xuống dốc một đoạn là:
l = s sin
x
/(sin

cos) (2.7)
ở đây s là độ dài của quãng đờng đi đợc theo phơng định trớc.
Góc nghiêng
z
của trục dọc máy kéo phụ thuộc vào góc chuyển động
lệch bên và góc dốc , đợc thể hiện trên hình 2.4.

(độ)
(độ)
Hình 2.4.
ảnh hởng của góc dốc tới

góc nghiêng trục dọc và góc
lệch bên của máy kéo

- 22 -

Khi máy kéo chuyển động lệch lên phía trên dốc thì góc nghiêng của
trục dọc máy kéo và độ dịch ngang của nó đợc xác định theo công thức (2.6)
và (2.7). Trong trờng hợp này trục dọc của máy bị nghiêng lên trên (hình 2.5).
Khi máy kéo chuyển động theo đờng xiên thì góc dốc ngang sẽ thay đổi:


= arcsin (sincos)
Qua đó cho thấy khi = 0 thì cos =1 và sin

=
sin , dẫn đến

=.








Trong chuyển động lệch bên sẽ xuất hiện 3 thành phần của trọng lợng
tơng ứng với 3 phơng x, y, z.
Thành phần ngang của trọng lợng có thể tác dụng theo cùng chiều
hoặc ngợc chiều chuyển động và đợc xác định theo công thức:

G
z
= Gcos
x
sin

Thay giá trị của góc
x
và

vào công thức này ta nhận đợc:
G
z
= Gcos[arcsin(sinsin)] sincos
Thành phần dọc của trọng lợng là:
G
x
= Gsin
x
= Gsinsin
Thành phần pháp tuyến của trọng lợng :
G
Y
= Gcos
x
cos

= Gcos[arcsin(sinsin)]cos[arcsin(sincos)]
Hình 2.5.
Sơ đồ xác định các

thành phần trọng lợng
khi máy kéo chuyển
động theo đờng xiên
C


- 23 -

Lực kéo tiếp tuyến của máy kéo phụ thuộc chủ yếu vào phản lực pháp
tuyến , hệ số bám và thành phần dọc của trọng lợng:
Khi máy kéo chuyển động lệch lên trên dốc:
P
k

max
=

G
Y
- Gsinsin
Khi máy kéo chuyển động lệch xuống dốc:
P
k

max
=

G
Y
+ Gsinsin

Trong đó:

là hệ số bám của máy kéo trên dốc.
Đối với loại máy kéo thông thờng, lực kéo tiếp tuyến phụ thuộc vào
sự phân bố lại trọng lợng trên các bánh trên và dới dốc. Hệ số phân bố lại
trọng lợng đợc tính nh sau:


=Y

K
/ Y

K
(2.8)
Khi máy kéo chuyển động ngang dốc không có sự lệch bên:

ZZ
htgeBG
B
Y

cos])5,0[
1
+=



ZZ
htgeBG

B
Y

cos])5,0[
1
=

m
(2.9)
Trong đó: e là độ lệch của trong tâm máy kéo so với mặt phẳng đối
xứng dọc của máy kéo; h chiều cao trọng tâm; B bề rộng cơ sở
Trong các công thức (2.9), khi tính Y
K
sẽ lấy dấu (+) nếu trọng tâm
phân bố phía dới mặt phẳng đối xứng dọc của máy kéo, lấy dấu (-) khi phân
bố ở phía trên. Ngợc lại khi tính Y
K
sẽ lấy dấu () nếu trọng tâm phân bố
phía dới mặt phẳng đối xứng dọc của máy kéo, lấy dấu (+) khi phân bố ở
phía trên. Khi đó:


=
()
()
z
z
htge
tgheB

+
5,0
.5,0

Sự phân phối lại trọng lợng trên các bánh xe chủ động phụ thuộc vào
vị trí trọng tâm, bề rộng vết bánh xe và góc nghiêng ngang của trục.

- 24 -