Luận án nghiên cứu khả năng kéo bám và ổn định của liên hợp máy kéo bánh hơi với cày chăm sóc rừng làm việc trên đất dốc

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
–––––––––––***–––––––––––

TÔ QUỐC HUY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KÉO BÁM VÀ ỔN ĐỊNH CỦA
LIÊN HỢP MÁY KÉO BÁNH HƠI VỚI CÀY CHĂM SÓC RỪNG
LÀM VIỆC TRÊN ĐẤT DỐC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2021


i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
–––––––––––***–––––––––––

TÔ QUỐC HUY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KÉO BÁM VÀ ỔN ĐỊNH CỦA LIÊN
HỢP MÁY KÉO BÁNH HƠI VỚI CÀY CHĂM SÓC RỪNG
LÀM VIỆC TRÊN ĐẤT DỐC
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9.52.01.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS NGUYỄN NHẬT CHIÊU
2. TS ĐOÀN VĂN THU

Hà Nội, 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, các số
liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa
từng được công bố ở bất kỳ cơng trình nghiên cứu khoa học nào khác.
Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2021
Tác giả luận án

Tô Quốc Huy


ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin trân trọng cảm ơn ban lãnh đạo, tập thể cán bộ phòng
Đào tạo sau Đại học; các quý thầy cô thuộc Khoa Cơ điện và Cơng trình của
trường Đại học Lâm nghiệp; cảm ơn Ban Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế
thuộc Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện cho phép tôi tham
gia học tập và giúp đỡ tơi trong suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án
tiến sĩ.
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Nhật Chiêu và
TS. Đoàn Văn Thu đã định hướng nghiên cứu, tận tình chỉ bảo với sự tận tâm,
trách nhiệm cao nhất và giúp đỡ tôi trong suốt q trình nghiên cứu hồn thiện
luận án này.
Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học thuộc câu lạc bộ Cơ khí động lực,
các nhà khoa học chuyên ngành cơ khí động lực của Trường Đại học Lâm
nghiệp; Học viện Nông nghiệp Việt Nam; Học viện Kỹ thuật quân sự; Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội; Trường Đại học Giao thông vận tải; Trường Đại học
Công nghiệp Hà Nội, … đã giúp đỡ tơi hồn thành luận án.
Trân trọng cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt là các thành viên
trong gia đình đã tạo điều kiện giúp đỡ, ủng hộ và động viên tôi trong suốt thời
gian học tập và nghiên cứu.

Tác giả luận án

Tô Quốc Huy


iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan .......................................................................................................... I
Lời cảm ơn.............................................................................................................II

Mục lục ................................................................................................................ III
Danh mục các từ ký hiệu và từ viết tắt............................................................... VII
Danh mục các bảng biểu ..................................................................................... XI
Danh mục các hình và đồ thị .............................................................................. XII
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................... 6
1.1.Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng ......................................... 6
1.1.1 Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng trên thế giới .......... 6
1.1.2. Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng ở Việt Nam ........ 10
1.1.2.1. Đặc điểm rừng trồng và những yêu cầu kỹ thuật làm đất trồng chăm
sóc rừng. .............................................................................................................. 10
1.1.2.2. Những nghiên cứu về cơ giới trồng, chăm sóc rừng ở Việt Nam. ..... 13
1.2.Tình hình nghiên cứu tính chất kéo, bám của máy kéo trong sản xuất nông
lâm nghiệp ................................................................................................................ 16
1.2.1. Tính chất kéo bám của máy kéo trên đất dốc ........................................... 16
1.2.2. Nghiên cứu về tính chất kéo bám của máy kéo trong sản xuất nông lâm
nghiệp.................. ..................................................................................................... 19
1.3. . Tình hình nghiên cứu về ổn định của ơ tơ, máy kéo trong sản xuất nông lâm
nghiệp. ................................................................................................................. 25
1.3.1. Khả năng ổn định của máy kéo khi làm việc trên đất dốc .................... 25
1.3.1.1. Tính ổn định tĩnh dọc của máy kéo trên đất dốc ................................ 26
1.3.1.2. Tính ổn định dọc của máy kéo khi làm việc trên đất dốc: ................. 28
1.3.1.3. Ổn định của máy kéo bánh hơi khi làm việc với máy cơng tác treo.. 29
1.3.1.4. Tính ổn định của máy kéo khi bánh chủ động bị nên chặt ................ 30


iv

1.3.1.5. Tính ổn định ngang tĩnh của máy kéo ................................................ 32
1.3.1.6. Ổn định trượt ngang, lệch hướng của máy kéo khi chuyển động.. 33

1.3.1.7. Tính ổn định của máy kéo làm việc trên địa hình mấp mơ: .......... 34
1.3.1.8. Ổn định ngang của máy kéo khi quay vòng: ................................ 35
1.3.2.Nghiên cứu về ổn định của ô tô, máy kéo trong nông lâm nghiệp .... 36
1.4. Đối tượng, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu của luận án ... 39
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................... 39
1.4.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 40
1.4.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 41
1.4.4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 41
1.4.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết .................................................... 41
1.4.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .............................................. 42
1.5. Kết luận chương 1............................................................................................. 43
Chương 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA LHM CÀY CHẢO
KHI LÀM VIỆC TRÊN DỐC NGANG .............................................................. 45
2.1. Xây dựng mơ hình nghiên cứu động lực học kéo của LHM cày chảo ........... 45
2.1.1. Phân tích cấu trúc cày chảo ....................................................................... 47
2.1.2. Mơ hình ổn định hướng chuyển động thẳng của máy kéo bánh hơi trên
dốc ngang... .............................................................................................................. 48
2.1.3. Phân tích cấu trúc và xây dựng mơ hình máy kéo.................................... 55
2.1.4. Xây dựng mơ hình động lực LHM cày chảo trên dốc ngang .................. 56
2.1.5. Xác định đường đặc tính động cơ ............................................................. 60
2.1.6. Phân tích hệ thống truyền lực của máy kéo .............................................. 61
2.1.7. Mơ hình bánh xe chủ động làm việc trên dốc ngang ............................... 63
2.1.8. Tính lực kéo của máy kéo trên dốc ngang ................................................ 68
2.2. Lập phương trình vi phân chuyển động của LHM .......................................... 72
2.3. Quan hệ của các chỉ tiêu kéo bám với các chỉ tiêu làm việc của LHM .......... 74
2.3.1. Quan hệ giữa độ trượt với năng suất làm việc.......................................... 74
2.3.2. Quan hệ giữa độ trượt với chi phí năng lượng riêng của LHM ............... 76
2.4. Kết luận chương II ............................................................................................ 77

v

Chương 3: KHẢO SÁT MƠ HÌNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO
KHẢ NĂNG KÉO BÁM VÀ ỔN ĐỊNH CỦA LHM CÀY CHẢO. ................. 78
3.1. Kiểm tra mơ hình nghiên cứu lý thuyết ........................................................... 79
3.2. Xây dựng đặc tính kéo bám của máy kéo Yanmar F535D trên dốc ngang. ... 81
3.3. Ảnh hưởng của chế độ sử dụng đến khả năng kéo bám và chỉ tiêu làm việc
của LHM… .............................................................................................................. 85
3.3.1. Ảnh hưởng của góc dốc đến hệ số cản lăn và hệ số bám dọc cực đại ..... 85
3.3.2. Ảnh hưởng góc dốc và lực cản đến khả năng kéo bám và chỉ tiêu làm
việc của LHM .......................................................................................................... 86
3.3.3. Ảnh hưởng của hệ số bám đến các chỉ tiêu làm việc ............................... 87
3.4. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến khả năng kéo bám và các chỉ tiêu
làm việc của LHM ................................................................................................... 88
3.4.1. Ảnh hưởng của chiều cao trọng tâm máy kéo .......................................... 88
3.4.2. Ảnh hưởng của bề rộng máy kéo .............................................................. 89
3.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến khả năng ổn định của LHM .......... 90
3.6. Giải pháp nâng cao khả năng kéo bám và ổn định của LHM cày chảo.......... 92
3.7. Khảo sát khả năng kéo bám của LHM trước và sau cải tiến HTDĐ .............. 94
3.8. Kết luận chương 3: ........................................................................................... 98
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................................................... 100
4.1. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm .................................................................100
4.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ...............................................................101
4.3. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm. .............................................................102
4.3.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị đo .......................................................102
4.3.2. Thiết bị thu thập, khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi A/D .....................103
4.3.3. Phần mềm sử dụng trong thí nghiệm ......................................................104
4.3.4.

Xác định hệ số cản lăn và hệ số bám của máy kéo .............................106

4.3.5. Xác định phản lực pháp tuyến và góc dốc tức thời ................................108
4.3.6 Xác định lực kéo cày chăm sóc rừng .......................................................111
4.3.7. Xác định gia tốc LHM cày chăm sóc rừng theo phương chuyển động .113
4.3.8. Xác định số vòng quay của bánh xe chủ động và độ trượt LHM ..........114


vi

4.3.9. Phương pháp xác định năng suất và hiệu suất làm việc của LHM ........116
4.4. Tổ chức thí nghiệm .........................................................................................116
4.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................117
4.5.1 Kết quả xác định hệ số cản lăn.................................................................117
4.5.2. Kết quả xác định hệ số bám ....................................................................118
4.5.3. Kết quả xác định phản lực pháp tuyến lên bánh xe máy kéo.................119
4.5.4. Kết quả xác định lực cản cày ..................................................................120
4.5.5. Kết quả thí nghiệm xác định vận tốc, độ trượt, hiệu suất kéo và năng suất
của LHM 123
4.5.6. Xây dựng đặc tính kéo bám của HTDĐ cải tiến từ thực nghiệm ..........125
4.5.7. So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với lý thuyết. ........................127
4.6. Kết luận chương 4. ..................................................................................... 129
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ............................................................................... 130
NHỮNG CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ......................................................... 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 133
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 138


vii

DANH MỤC CÁC TỪ KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

TT

Ký
hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa
(4)

(1)

(2)

(3)

1

LHM

-

Liên hợp máy

2

HTDĐ

-

Hệ thống di động

3

m1

kg

Khối lượng máy kéo

4

m2

kg

Khối lượng cày chảo

5

g

m/s2

Gia tốc trọng trường

6

x

m/s2

Gia tốc liên hợp máy

7

G1

N

Trọng lượng máy kéo

8

G2

N

Trọng lượng cày chảo

9

Gk

N

10

Mk

Nm

Mô men chủ động của cầu sau

11

Me

Nm

Mô men của động cơ

12

MCe

Nm

Mô men cản trên trục động cơ

13

M kt

Nm

Mơ men của bánh xe phía trên dốc

14

M kd

Nm

Mơ men của bánh xe phía dưới dốc

15

Mfk

Nm

Mơ men cản lăn

16

Pk

N

Lực chủ động của cầu sau máy kéo

17

Pf

N

Lực cản lăn

18

Pkt2

N

Lực chủ động của bánh xe phía trên của cầu sau

19

Pkd2

N

Lực chủ động của bánh xe phía dưới của cầu sau

20

Pft 1

N

Lực cản lăn của bánh xe phía trên của cầu trước

Phần trọng lượng của máy kéo phân bố trên
bánh xe chủ động


viii

Lực cản lăn của bánh xe phía dưới của cầu

21

Pfd1

N

22

Pft 2 ,

N

Lực cản lăn của bánh xe phía trên của cầu sau

23

Pfd2

N

Lực cản lăn của bánh xe phía dưới của cầu sau

24

Pf1

N

Lực cản lăn của cầu trước máy kéo

25

Pf2

N

Lực cản lăn của cầu sau máy kéo

26

PC

N

Lực cản chuyển động của cày

27

m2 x

N

Lực cản quán tính của cày chảo

28

Z1

N

29

Z2

N

30

Z

31

Zd

N

32

Y1t

N

33

Y1d

N

34

Y2t

N

35

Y2d

N

36

Yt

N

t

N

trước

Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác động
lên cầu trước máy kéo
Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác động
lên cầu sau máy kéo
Phản lực pháp tuyến của mặt đồi lên các bánh

xe phía trên dốc
Phản lực pháp tuyến của mặt đồi lên các bánh
xe phía dưới dốc
Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía
trên của cầu trước
Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía
dưới của cầu trước
Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía
trên của cầu sau
Phản lực ngang của mặt đồi lên bánh xe phía
dưới của cầu sau
Phản lực ngang của mặt đường lên các bánh xe
phía trên


ix

Phản lực ngang của mặt đường lên các bánh xe

37

Yd

N

38

ZC

N

Phản lực pháp tuyến của cày

39



Độ

Góc dốc ngang mặt đồi

40

t

Độ

41

’t

Độ

42

1

Độ

Góc xoay cầu trước

43



rad

Góc chuyển động lệch

44

 do

Độ

45

ne

v/ph

Tốc độ quay của động cơ

46

nk

v/ph

Tốc độ quay của vỏ vi sai

47

nkt

v/ph

Tốc độ quay của bánh xe phía trên dốc

48

nkd

v/ph

Tốc độ quay của của bánh xe phía dưới dốc;

49

iT

-

Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

50



-

Hệ số bám tổng cộng của bánh xe

51

0

-

Hệ số bám khi bánh xe lăn trên đồng bằng

52

x

-

Hệ số bám theo phương dọc

53

y

-

Hệ số bám theo phương ngang

54

f

-

Hệ số cản lăn

55

k

-

Hệ số kéo

56

KC

-

Hệ số cản riêng của cày

57

P

N

Lực bám tổng hợp

58

Px

N

Lực bám dọc theo phương chuyển động

phía dưới

Góc ổn định dọc tĩnh theo giới hạn lật của máy
kéo hướng lên dốc
Góc ổn định dọc tĩnh theo giới hạn lật của máy
kéo hướng xuống dốc

Góc ổn định giới hạn khi máy kéo di chuyển
trên địa hình mấp mơ


x

59

Py

N

Lực bám ngang

60

x

%

Độ trượt theo phương dọc

61

y

%

Độ trượt theo phương ngang

62

 kt

%

Độ trượt bánh xe phía trên máy kéo

63

 kd

%

Độ trượt bánh xe phía dưới máy kéo

64

k

%

Độ trượt của máy kéo

65

Jk

kgm2

Mơ men qn tính của bánh xe

66

rk

m

Bán kính của bánh xe chủ động

67



Rad/s

Vận tốc góc của bánh xe

68

V

km/h

Vận tốc tính tiến của trục bánh xe

69

Vlt

km/h

Vận tốc lý thuyết của liên hợp máy

70

Vtt

km/h

Vận tốc thực tế của liên hợp máy

71

L

m

Khoảng cách cầu trước và sau máy kéo

72

hT

m

Chiều cao móc máy cơng tác

73

B

m

Bề rộng cơ sở của máy kéo

74

Bc

m

Bề rộng làm việc của cày

75

S

m

76

Wh

ha/h

77

CNe

kW/ha

78

k

%

Quãng đường di chuyển của máy kéo theo
phương x
Năng suất liên hợp máy cày chảo
Chi phí năng lượng riêng
Hiệu suất kéo máy kéo


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Sinh trưởng và phát triển một số rừng trồng chính ở miền Bắc ......... 11
Bảng 1.2 Độ ổn định của máy kéo trên sườn dốc ở miền Bắc............................ 38
Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật của cày chảo chăm sóc rừng trồng ....................... 40
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát xác định chỉ tiêu kéo bám và các chỉ tiêu làm việc
của LHM với hệ thống di động cải tiến .............................................................. 96
Bảng 3.2. Giá trị góc giới hạn ổn định của máy kéo với kết cấu mới ................ 98
Bảng 4.1. Giá trị đo xác định hệ số cản lăn của máy kéo Yanmar F535D ....... 118
Bảng 4.2. Giá trị đo xác định hệ số bám của máy kéo Yanmar F535 .............. 119
Bảng 4.3. Giá trị đo phản lực pháp tuyến bánh xe ............................................ 119
Bảng 4.4. Lực cản cày, vận tốc hệ số cản riêng tương ứng với độ cày sâu hc =
0,075 m và hc = 0,1 m ....................................................................................... 122
Bảng 4.5. Chỉ tiêu làm việc của LHM tại ở các độ dốc khác nhau................... 125


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Một số loại máy kéo đất dốc có khung tự cân bằng.............................. 7
Hình 1.2. LHM cày ngầm và LHM cày đĩa tại Autralia ....................................... 8
Hình 1.3. Cày khơng lật và cày chảo 2 dãy......................................................... 15
Hình 1.4. Đường đặc tính kéo của máy kéo bánh hơi dùng hộp số cơ học ........ 16
Hình 1.5. Sơ đồ xây dựng đường cong trượt máy kéo trên dốc ngang ............... 18
Hình 1.6. Tính chất kéo bám của bộ phận di động ............................................. 18
Hình 1.7 Mơ hình toán học ba chiều của máy kéo đi qua chướng ngại vật trên
sườn dốc .............................................................................................................. 21
Hình 1.8. Quan hệ ứng suất tiếp  và biến dạng dọc j của đất nền ..................... 23
Hình 1. 9. Sơ đồ lực và mơ men tác dụng lên máy kéo khi đứng trên dốc ......... 26
Hình 1.10. Sơ đồ lực và mơ men tác dụng lên LHM khi di chuyển lên dốc ...... 28

Hình 1.11. Sơ đồ LHM kéo bánh với cày treo khi di chuyển trên dốc ............... 29
Hình 1.12. Sơ đồ máy kéo bị lật khi bánh chủ động bị nêm chặt ....................... 31
Hình 1.13. Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo khi đứng yên trên dốc ngang. ........ 32
Hình 1.14. Mơ hình tính ổn định trượt ngang của máy kéo ................................ 33
Hình 1.15. Sơ đồ máy kéo khi một bánh rơi đột ngột xuống rãnh. .................... 35
Hình 1.16. Sơ đồ xác định góc nghiêng giới hạn khi máy kéo quay vịng lên dốc..35
Hình 2.1. Sơ đồ khối của mơ hình LHM cày chảo chăm sóc rừng ..................... 45
Hình 2.2. Hình ảnh cày chảo 2 dãy và máy kéo Yanmar F535D ....................... 47
Hình 2.3. Mơ hình hóa cày chảo ......................................................................... 47
Hình 2.4. Mơ hình bánh xe chuyển động lệch trên đường đồng mức ................ 49
Hình 2.5. Mơ hình máy kéo chuyển động ngang dốc theo đường đồng mức ..... 50
Hình 2.6. Mơ hình máy kéo chuyển động ổn định thẳng trên dốc ngang theo
đường đồng mức.................................................................................................. 52
Hình 2.7. Quan hệ giữa hệ số cản lăn và góc dốc ngang .................................... 54
Hình 2.8. Mơ hình mơ tả động lực học LHM cày chảo trên dốc ngang ............. 55
Hình 2.9. Mơ hình các lực tác dụng lên máy kéo khi cày ở thế bơi ................... 56
Hình 2. 10. Mơ hình khơng gian mơ tả động lực học LHM cày chảo làm việc
trên dốc ngang ..................................................................................................... 57
Hình 2.11. Mơ hình tổng qt LHM cày chảo làm việc trên dốc ngang ............ 58


xiii

Hình 2. 12. Đường đặc tính ngồi động cơ F535D ............................................. 60
Hình 2.13. Sơ đồ truyền lực của máy kéo 4x2 .................................................... 61
Hình 2.14. Sơ đồ truyền lực máy kéo tương đương............................................ 62
Hình 2.15. Mơ hình bánh xe chủ động trên dốc ngang ....................................... 63
Hình 2.16. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám dọc và bám ngang của bánh xe ....... 66
Hình 2.17. Mơ hình xây dựng đặc tính bám của bánh xe trên dốc ngang .......... 66
Hình 2.18. Đặc tính bám theo phương y của bánh xe trên dốc ngang ................ 67

Hình 2.19. Đặc tính bám của bánh xe theo phương đồng mức........................... 68
Hình 2.20. Mơ hình xác định lực kéo của bánh xe ............................................. 69
Hình 2.21. Sơ đồ phân bố mô men và vận tốc trên các bánh xe khi sử dụng cơ
cấu vi sai .............................................................................................................. 70
Hình 2.22. Sơ đồ phân bố mô men và vận tốc trên các bánh xe khi khố vi sai 71
Hình 2.23. Đường đặc tính ngồi của động cơ ................................................... 76
Hình 3.1. Đặc tính lực cản cày ............................................................................ 79
Hình 3.2. Phản lực pháp tuyến lên bánh xe cầu sau............................................ 80
Hình 3.3. Độ trượt và hiệu suất kéo của máy kéo ............................................... 80
Hình 3.4. Vận tốc LHM ...................................................................................... 81
Hình 3.5. Đường đặc tính kéo của máy kéo Yanmar F535D trên đồng bằng .... 82
Hình 3.6. Đường đặc tính kéo của máy kéo Yanmar F535D trên góc dốc 100. …. 83
Hình 3.7. Ảnh hưởng của góc dốc, hệ số bám đến độ trượt và hiệu suất kéo .... 84
Hình 3.8. Ảnh hưởng góc dốc đến hiệu suất kéo cực đại ................................... 84
Hình 3.9. Ảnh hưởng góc dốc đến hệ số cản lăn và hệ số bám dọc ................... 85
Hình 3.10. Ảnh hưởng góc dốc và lực cản cày đến tính chất kéo bám và chỉ tiêu
làm việc ............................................................................................................... 86
Hình 3.11. Ảnh hưởng của hệ số bám đến độ trượt, hiệu suất kéo và các chỉ tiêu
làm việc với các góc dốc khác nhau .................................................................... 87
Hình 3.12. Ảnh hưởng của chiều cao trọng tâm đến tính năng kéo bám và chỉ
tiêu làm việc LHM với các góc dốc khác nhau ................................................... 88
Hình 3.13. Ảnh hưởng của bề rộng máy kéo đến tính năng kéo bám và chỉ tiêu
làm việc LHM với các góc dốc khác nhau .......................................................... 89
Hình 3.14. Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo Yanmar F535D trên dốc ngang ..... 91


xiv

Hình 3.15. Các chỉ tiêu làm việc của máy kéo nguyên bản và cải tiến ở cấp lực
kéo Pc = 4000N, ở góc dốc khác nhau ................................................................ 95

Hình 4. 1. Sơ đồ lắp đặt các cảm biến trong thí nghiệm ................................... 101
Hình 4. 2. Thiết bị đo đa kênh Spider 8 ............................................................ 103
Hình 4. 3. Sơ đồ kết nối cảm biến với thiết bị đo đa kênh Spider 8, máy tính có
sử dụng phần mềm Catman ............................................................................... 105
Hình 4.4. Hình ảnh lắp đặt hệ thống đo trên LHM khi thí nghiệm................... 106
Hình 4. 5. Cảm biến đo lực TBX-4T ................................................................ 106
Hình 4. 6. Hình ảnh thí nghiệm xác định hệ số bám và hệ số cản lăn .............. 107
Hình 4.7. Hình ảnh dán tenzơ điện trở trên cầu trước máy kéo ........................ 109
Hình 4.8. Hình ảnh hiệu chuẩn khâu đo phản lực pháp tuyến .......................... 109
Hình 4. 9. Sơ đồ xác định phản lực pháp tuyến lên máy kéo trên dốc ngang... 110
Hình 4.10. Cảm biến đo lực kéo TBX- 1T........................................................ 111
Hình 4.11. Hình ảnh lắp đầu đo lực để xác định lực kéo cày ........................... 112
Hình 4.12. Cảm biến Kisler............................................................................... 113
Hình 4.13. Hình ảnh lắp cảm biến đo số vịng quay bánh xe chủ động............ 114
Hình 4.14. Sơ đồ động học của cơ cấu vi sai cầu sau ....................................... 115
Hình 4.15. Giá trị lực kéo thí nghiệm xác định hệ số cản lăn ........................... 117
Hình 4.16. Giá trị lực kéo thí nghiệm hệ số bám .............................................. 118
Hình 4.17. Đồ thị biểu diễn giá trị phản lực pháp tuyến trên bánh xe .............. 120
Hình 4.18. Đồ thị biểu diễn giá trị lực cản cày ở độ sâu hc = 0,075m .............. 121
Hình 4.19. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hệ số cản cày với vận tốc ứng với độ
cày sâu ............................................................................................................... 123
Hình 4.20. Đồ thị biểu diễn giá trị vận tốc của bánh xe chủ động và vận tốc thực
tế của LHM........................................................................................................ 124
Hình 4.21. Đặc tính kéo bám của hệ thống di động .......................................... 126
Hình 4.22. Quan hệ giữa hiệu suất kéo và độ trượt bằng thực nghiệm ............ 126
Hình 4.23. Đồ thị biểu diễn vận tốc, độ trượt và hiệu suất kéo của LHM tính
tốn theo lý thuyết và thực nghiệm ................................................................... 127
Hình 4.24. Đồ thị biểu diễn độ sai khác của vận tốc của LHM tính tốn theo lý
thuyết và đo thực nghiệm .................................................................................. 128

1

MỞ ĐẦU
Rừng trồng sản xuất ở nước ta có diện tích lớn, hiện nay là trên 4,3 triệu
ha [1], trong đó diện tích đất trồng rừng thâm canh có thể cơ giới hóa được là
trên 1,5 triệu ha. Hàng năm, có hơn 200 nghìn ha rừng trồng được khai thác
và trồng lại. Những năm qua, rừng trồng sản xuất đã cung cấp trên 70%
nguyên liệu cho công nghiệp chế biến, đưa kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ của
Việt Nam đạt trên 11 tỷ USD năm 2019. Trong trồng rừng, các khâu làm đất
trồng, chăm sóc rừng là những việc nặng nhọc, tốn nhiều năng lượng và bằng
lao động thủ công khó đáp ứng được các yêu cầu của sản xuất. Áp dụng kỹ
thuật cơ giới hóa làm đất trồng, chăm sóc rừng khơng chỉ thay thế lao động
thủ cơng mà còn là yếu tố quan trọng để cải tạo đất, thâm canh nâng cao năng
suất, chất lượng và hiệu quả trồng rừng. Tuy nhiên, hiện nay việc áp dụng cơ
giới hóa các khâu sản xuất trong lâm nghiệp cịn nhiều hạn chế, một trong
những nguyên nhân đó là thiếu thiết bị cơ giới có khả năng làm việc hiệu quả
trên đất dốc của lâm nghiệp.
Hệ thống máy kéo đang được sử dụng trong nông lâm nghiệp rất đa
dạng, phong phú, các nghiên cứu đã nhận thấy: Máy kéo xích có có tính năng
kéo bám, độ ổn định tốt, chỉ phù hợp cho các công việc cần lực kéo lớn; Máy
kéo bánh hơi có tính cơ động cao, có khả năng liên hợp và trích truyền cơng
suất đa dạng cho các máy cơng tác, có thể di chuyển giữa các hàng cây để
thực hiện các cơng việc chăm sóc, phịng trừ sâu bệnh cho rừng trồng.., nhưng
khả năng kéo bám và ổn định bị hạn chế khi làm việc trên đất dốc. Chính vì
vậy, việc nghiên cứu động lực học nói chung kéo bám và ổn định của liên hợp
máy (LHM) nói riêng đã được các tác giả thực hiện tại nhiều nước phát triển
trên thế giới và ở Việt Nam. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của q trình
làm việc của LHM, đặc biệt trên địa hình đất sản xuất lâm nghiệp ở Việt Nam
có độ dốc lớn, chia cắt, nên đến nay còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu

2

để hoàn thiện. Các nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ổn
định của ô tô, máy kéo sử dụng trong vận chuyển lâm sản và hàng hóa đi trên
đường. Nghiên cứu về LHM kéo bánh hơi canh tác trên đất dốc mới chỉ dừng
lại ở việc thiết kế, chế tạo một máy canh tác và đưa vào sử dụng, các LHM
này chỉ làm việc hiệu quả trên địa hình tương đối bằng phẳng, độ dốc dưới
100. Chưa có nghiên cứu sâu về động học, động lực học của LHM kéo bánh
hơi thực hiện các khâu canh tác nói chung và làm đất chăm sóc rừng nói riêng
trên đất dốc phù hợp với điều kiện sản xuất lâm nghiệp ở Việt Nam.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng và an toàn cho liên hợp máy kéo bánh hơi
làm việc trên đất lâm nghiệp, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả
năng kéo bám và ổn định của liên hợp máy kéo bánh hơi với cày chăm sóc
rừng làm việc trên đất dốc”.
Mục tiêu nghiên cứu
Xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố về kết cấu và chế độ sử dụng
đến khả năng kéo bám, ổn định, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của liên hợp
máy kéo bánh hơi với cày chảo chăm sóc rừng trên đất dốc lâm nghiệp.
Đề xuất được giải pháp nâng cao khả năng kéo bám và ổn định của LHM
cày chảo chăm sóc rừng khi làm việc trên đất dốc.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là liên hợp máy kéo bánh hơi Yanmar
F535D có cơng suất 53 mã lực với dàn cày chảo 2 dãy thực hiện cơng việc
làm đất chăm sóc rừng trồng trên đất dốc lâm nghiệp ở Việt Nam.
Nhiệm vụ của luận án
- Nghiên cứu tổng quan về tính năng kéo bám và ổn định của các LHM
canh tác trên đất dốc nói chung và làm đất chăm sóc rừng nói riêng.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về khả năng kéo bám và ổn định của LHM

kéo bánh hơi với cày chảo chăm sóc rừng trên đất dốc.


3

- Xây dựng mơ hình nghiên cứu lý thuyết về động lực học của LHM cày
chảo chăm sóc rừng khi làm việc trên dốc ngang. Mơ phỏng mơ hình trên
phần mềm máy tính để khảo sát xác định ảnh hưởng các yếu tố về kết cấu và
chế độ sử dụng đến khả năng kéo bám và ổn định của LHM cày chăm sóc
rừng trồng trên đất dốc.
- Đề xuất giải pháp nâng cao khả năng kéo bám và ổn định của LHM khi
làm việc trên đất dốc.
- Nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số hệ số thực nghiệm, thơng
số đầu vào cho mơ hình lý thuyết; kiểm chứng mơ hình nghiên cứu lý thuyết;
xác định khả năng kéo bám, ổn định và một số chỉ tiêu làm việc của LHM
trong điều kiện thực tế.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về khả năng kéo bám và ổn định đã xây
dựng được mơ hình động lực học LHM cày chăm sóc rừng trên đất dốc của
lâm nghiệp. Mơ hình đã mơ tả khá đầy đủ các yếu tố tác động của của hệ
thống máy kéo, máy cày và điều kiện sử dụng và được mô phỏng trên phần
mềm Matlab - Simulink, cho phép khảo sát xác định sự ảnh hưởng của các
yếu tố kết cấu và điều kiện sử dụng làm cơ sở đánh giá khả năng làm việc,
hiệu quả sử dụng LHM.
Kết quả khảo sát mơ hình đã xác định được ảnh hưởng của các yếu tố:
bề rộng làm việc (Bc), chiều cao trọng tâm (hT), hệ số bám (φx), góc dốc (β),
cấp lực kéo (Pc) đến khả năng kéo bám, ổn định và các chỉ tiêu làm việc của
LHM, trên cơ sở đó đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu nâng cao hiệu quả sử
dụng. Kết quả này là cơ sở khoa học quan trọng cho việc đề xuất và xây dựng
mơ hình LHM canh tác nói chung và LHM cày chăm sóc rừng nói riêng làm

việc hiệu quả trên đất dốc lâm nghiệp.
Giải pháp cải tiến hệ thống di động để nâng cao khả năng kéo bám, ổn
định và do đó nâng cao được hiệu quả làm việc của LHM. Đây là cơ sở cho


4

việc tính tốn thiết kế và chế tạo hệ thống di động của máy kéo bánh hơi làm
việc trên đất dốc lâm nghiệp.
Các hệ số và quan hệ thực nghiệm được xác định trong điều kiện địa
hình, đất đai của lâm nghiệp như: hệ số cản lăn (ƒ), hệ số bám theo phương
chuyển động (φx), hệ số lực cản riêng của cày chảo chăm sóc rừng (Kc), đặc
tính kéo bám của hệ thống di động thiết kế cải tiến bằng thực nghiệm, bổ sung
cho các công thức thực nghiệm trong tính tốn thiết kế cũng như đánh giá khả
năng làm việc của LHM.
Những đóng góp mới của luận án
Mơ hình động lực học LHM cày chăm sóc rừng được mơ phỏng trên
phần mềm Matlab – Simulink sử dụng thông số đầu vào là lực cản cày PC(t) là
hàm biến đổi theo thời gian thu được từ thực nghiệm, do đó kết quả khảo sát
ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và sử dụng đến các chỉ tiêu kéo bám và làm
việc của LHM sát với điều kiện thực tế về địa hình và tính chất đất đai.
Xây dựng được mơ hình ổn định hướng của máy kéo bánh khi làm việc
trên dốc ngang (trên cơ sở phân tích các mối quan hệ vật lý liên quan đến kết
cấu máy kéo, góc dốc ngang địa hình tới khả năng ổn định hướng chuyển
động), cho phép xác định được góc xoay bánh lái của cầu trước để duy trì
hướng chuyển động thẳng trên dốc ngang. Đây là cơ sở để nghiên cứu thiết
lập chương trình điều khiển tự động máy kéo bánh làm việc trên dốc ngang.
Từ các phương trình tính tốn và kết quả khảo sát mơ hình mơ phỏng đã
định hướng xác định một số thông số liên quan bằng thực nghiệm như: xác
định góc dốc tức thời β(t) thông qua giá trị phản lực pháp tuyến giữa bánh xe

phía trên và phía dưới trong q trình thí nghiệm mà khơng cần phải có hệ
thống đo góc dốc trực tiếp; xây dựng được đường đặc tính kéo bám của hệ
thống di động cải tiến của máy kéo; xác định hệ số lực cản riêng của cày chảo
đối với đất lâm nghiệp tại vùng Đông Bắc Bộ.


5

Giải pháp cải tiến hệ thống di động nâng cao khả năng kéo bám, ổn
định của LHM là cơ sở khoa học để có thể trang bị, sử dụng các hệ thống
di động phù hợp cho máy kéo bánh khi làm việc ở những điều kiện khác
nhau (ruộng nước, đất dốc lâm nghiệp, trên đường vận chuyển, ..).
Cấu trúc của luận án
Luận án được xây dựng gồm phần mở đầu, phần kết luận và 4 chương
như sau:
Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu; Chương 2: Xây dựng
mơ hình động lực học kéo bám và ổn định của liên hợp máy cày chảo khi
làm việc trên dốc ngang; Chương 3: Khảo sát mơ hình và đề xuất giải pháp
nâng cao khả năng kéo bám và ổn định của LHM; Chương 4: Nghiên cứu
thực nghiệm.


6

Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng
Cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng là việc sử dụng thiết bị máy
móc để thực hiện các cơng việc: Làm đất trồng rừng, xử lý thực bì, vun gốc,
bón phân, tỉa cành, phun thuốc trừ sâu, tưới nước...chăm sóc rừng trồng.

Trong sản xuất lâm nghiệp hiện nay chủ yếu sử dụng máy kéo kết hợp với
máy công tác chuyên dụng phù hợp với từng khâu canh tác cụ thể, được gọi là
liên hợp máy (LHM). Máy kéo là máy động lực đặc biệt có khả năng kéo bám
tốt, di chuyển, hoạt động hiệu quả trên nền đất sản xuất nông, lâm nghiệp; có
khả năng liên hợp và trích truyền cơng suất đa dạng cho các máy công tác. Do
đặc điểm của địa hình, đất đai trong lâm nghiệp có độ dốc lớn, địa hình bị
chia cắt, mặt đất khơng bằng phẳng, tính chất đất khơng đồng nhất, có nhiều
đá lẫn, gốc cây... làm cho LHM canh tác kém ổn định khi làm việc dẫn đến
hiệu quả sử dụng thấp. Để nâng cao hiệu quả sử dụng, ngoài các yêu cầu
chung của máy động lực, máy kéo được lựa chọn làm việc trong sản xuất lâm
nghiệp cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản như: Độ ổn định cao, làm việc an tồn
trên đất dốc; tính chất kéo bám tốt, tính cơ động cao, điều khiển linh hoạt, dễ
sử dụng; có tính vạn năng, thực hiện được nhiều khâu canh tác ở điều kiện đồi
núi, tiết kiệm nhiên liệu.
1.1.1 Tình hình cơ giới hóa trong trồng và chăm sóc rừng trên thế giới
Địa hình đất dốc lâm nghiệp để ứng dụng cho cơ giới hóa khâu canh tác
đã được Xerikov U.M, Ladukhin G.A, Tremưxev B.B phân cấp thành 5 cấp: <
80; 8 ÷ 120 ; 12 ÷ 200; 20 ÷ 350; 35 ÷ 400 [20]. Sử dụng cơ giới hố làm đất
trồng rừng ở một số nước tiên tiến trên thế giới đã được tiến hành khá toàn
diện từ khâu qui hoạch phân lơ khoảnh, xử lý thực bì, san ủi bậc thang, cày
đất trồng cho đến chăm sóc rừng. Ở các quốc gia phát triển như: Mỹ, Liên Xô


7

cũ, Australia, Thuỵ Điển, Đức, Canada, Brazil... công việc làm đất trồng rừng
chủ yếu được thực hiện bằng cơ giới. Các chủng loại máy kéo có cơng suất
lớn và hiện đại như: Fiat, Komatsu, Bofort, Caterpilar, TZ-171, T-130 với
thiết bị chuyên dụng: Ben ủi, răng rà rễ, máy phát dọn thực bì, rulơ có gắn
lưỡi cắt (Chopper roller)... để xử lý thực bì, cày ngầm, cày lật, phay đất,

khoan hố... đã được sử dụng để làm đất trồng rừng. Bên cạnh đó, các máy kéo
có cơng suất trung bình và nhỏ như: Kubota, Shibaura, Huyndai, John Deere,
Indo Farm... cũng được sử dụng cho các cơng việc chăm sóc, bón phân, thu
hoạch phù hợp với điều kiện sản xuất của mỗi nước.
Để tăng độ ổn định ngang khi máy kéo làm việc trên đất dốc, ở một số
nước công nghiệp phát triển như Liên Xô (cũ), Đức, Thuỵ Điển đã sản xuất
các máy kéo có khung thăng bằng tự động, xoay được hộp truyền lực cuối
cùng để thay đổi vị trí trọng tâm, tăng bề rộng cơ sở, hạ thấp trọng tâm, lắp
thêm tải trọng phụ, tăng kích thước các mấu bám, tăng trọng lượng bám cho
các bánh phía trên dốc, sử dụng máy kéo 2 cầu chủ động, máy kéo xích hoặc
máy kéo nửa xích... để tăng tính ổn định và khả năng bám.

a)

b)

c)
d)

e)

Hình 1.1. Một số loại máy kéo đất dốc có khung tự cân bằng


8

Trên hình 1.1 trình bày một số sơ đồ máy kéo có khung thăng bằng: chỉ
giữ thăng bằng phần khung máy (a); giữ thăng bằng cả khung máy và cả hệ
thống di động (b, c, d, e). Nhờ kết cấu đặc biệt như vậy, tính ổn định ngang,
tính năng lái và tính năng kéo bám tốt hơn hẳn các loại máy kéo thơng thường. Những loại máy kéo này có thể làm việc hiệu quả ở địa hình độ dốc cao

tới 200 - 250, trong khi các loại máy kéo nông nghiệp thông thường chỉ được
phép sử dụng ở độ dốc nhỏ hơn 150.
Một số hãng máy kéo như Kubota, Indo Farm còn chế tạo máy kéo 2 cầu
chủ động, quay vịng 2 tốc độ, tính năng này cho phép giảm bán kính quay
vịng, tăng tính cơ động, rất phù hợp với điều kiện địa hình đất dốc, chia cắt
của lâm nghiệp. Tuy nhiên, kết cấu của các loại máy kéo này rất phức tạp,
khó chế tạo và giá thành cao.
Tại Australia [35], những năm gần đây đã nghiên cứu áp dụng nhiều
phương thức kỹ thuật cơ giới làm đất cho các loại địa hình đất đai khác nhau,
phổ biến là: sử dụng rulơ (Chopper roller) có gắn các lưỡi cắt băm nát lớp
thực bì, cành lá để lại sau khai thác, rải đều trên mặt đất; sau đó cày ngầm
theo đường đồng mức hoặc cày vun luống theo rạch (cày ngầm có lắp 2 chảo
vun luống) để trồng rừng, (hình 1.2)

Hình 1.2. LHM cày ngầm và LHM cày đĩa tại Autralia


9

Trên địa hình có độ dốc trên 150 thường áp dụng phương thức làm đất cục
bộ, sử dụng máy xúc với gầu múc đặc biệt có lưỡi cắt (Wilco ripping tine and
slash rake) hoặc khoan (VH Mulcher on the low loader) tạo ra những hố đất tơi
xốp có đường kính từ 0,8 – 1,0 m, sâu trên 0,7 m để trồng cây. Ở địa hình có
góc dốc < 100 sử dụng LHM cày chảo làm đất toàn diện và trồng rừng.
Cơ giới chăm sóc rừng trên thế giới thường sử dụng máy móc, thiết bị
phát dọn thực bì cỏ dại, xới đất, cày chăm sóc theo hàng bằng cày lật hoặc cày
chảo vun gốc và làm tơi đất… Các nghiên cứu của L. Pancel, Allan, Weidelt
(1976), Evan (1982), Winter (1977) ở Mỹ, Nga cũng đã đưa ra các biện pháp
chăm sóc rừng chủ yếu là: sử dụng các thiết bị để phát quang, tỉa thưa, xới đất
theo hàng, theo băng hay cục bộ quanh gốc cây. Thiết bị cơ giới được sử dụng

chăm sóc rừng như: Cày lật, cày xới sâu, phay đất, máy phát cỏ, tưới nước,
bón phân...
Hiện nay việc sử dụng máy kéo liên hợp với một số thiết bị chuyên dụng
để phát cỏ dại, xới vun gốc cây, phun thuốc diệt sâu bệnh và cỏ dại, bón phân
để chăm sóc rừng khá phổ biến ở nhiều nước như: Đức, Australia, Malaysia...
Các LHM kéo có cơng suất vừa và nhỏ như Kubota của Nhật, Lemken của
Đức, Indo Farm của Ấn Độ... được sử dụng khá rộng rãi cho làm vườn và
chăm sóc rừng. Các hệ thống thiết bị và kỹ thuật tới nước cho rừng trồng
trong mùa khô cũng đã được nghiên cứu áp dụng trong phạm vi hẹp như tại
Israel, Rumani, Trung quốc. Rừng trồng Bạch đàn có sử dụng hệ thống tưới
cho năng suất đạt tới 90 m3/năm.
Ở Trung Quốc đã chế tạo được các loại máy khác nhau như JC-10A trang
bị 5 lưỡi cày xới, máy cày chảo XYC lắp sau máy kéo bánh hơi, máy phay đất
mini có cơng suất 1,5 - 2,5 kW với tốc độ quay trục lưỡi phay 150 - 200
vòng/phút hoặc loại có cơng suất 4 - 5 kW với tốc độ quay trục phay 200
vịng/phút phục vụ cơng việc làm đất chăm sóc rừng.