Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh (tt)

Việc nghiên cứu nhằm lựa chọn ra phương pháp điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật với máy kéo nông nghiệp nhưng có công nghệ chế tạo phù hợp và ch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN CÔNG THUẬT

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG

TRÊN MÁY KÉO NHỎ 4 BÁNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ : 62 52 01 03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - 2014

Công trình hoàn thành tại:

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

Người hướng dẫn: 1 PGS.TS BÙI HẢI TRIỀU

2 TS BÙI VIỆT ĐỨC

Phản biện 1: GS.TS Vũ Đức Lập

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Bang

Phản biện 3: PGS.TS Đào Hữu Quyết

Luận án sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại:

Học viện Nông nghiệp Việt Nam Vào hồi , ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Thư viện Học viện Nông nghiệp Việt Nam

- Thư viện Trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy kéo là thiết bị động lực được sử dụng chủ yếu trong sản xuất nông nghiệp, nơi có điều kiện tải trọng phức tạp và thay đổi trong dải rộng Trong điều kiện sản xuất nông nghiệp ở Việt nam, đặc biệt ở miền Trung và miền Bắc, máy kéo nhỏ (dưới 20 kW) chiếm ưu thế và được sử dụng rất phổ biến góp phần quan trọng trong việc tăng năng suất và giải phóng sức lao động cho nông dân

Để hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng thay đổi phức tạp trong dải rộng, máy kéo nhỏ cần được trang bị hộp số có nhiều cấp số truyền đảm bảo máy kéo làm việc tốt trong canh tác cũng như trong vận chuyển Một trong những phương án tối ưu là trang bị cho máy kéo hệ thống truyền lực vô cấp (CVT) đảm bảo cho tỷ số truyền thay đổi liên tục trên toàn bộ dải tốc độ Việc nghiên cứu nhằm lựa chọn ra phương pháp điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật với máy kéo nông nghiệp nhưng có công nghệ chế tạo phù hợp và chi phí đầu tư ban đầu chấp nhận được với các hộ nông dân là thực sự cần thiết để ứng dụng trong thực tiễn

Với những lí do trên, đề tài luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu tính chất

truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh”, nhằm lựa chọn phương pháp điều khiển tự

động tỉ số truyền của CVT phù hợp tạo cơ sở khoa học cho việc chế tạo máy kéo nhỏ bốn bánh truyền lực vô cấp phân tầng tại Việt Nam

2 Giả thuyết vấn đề nghiên cứu

Trên cơ sở kết cấu hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ, thay thế truyền động đai thang truyền thống bằng bộ truyền động vô cấp đai thang bản rộng kết hợp hộp số cơ khí đơn giản với hai cấp số truyền (vô cấp phân tầng-VCPT) điều khiển bằng tay tương ứng với chế độ

canh tác và vận chuyển Sử dụng phương pháp điều khiển tỷ số truyền bằng cách thay đổi lực kẹp ở bánh đai chủ động và bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo, hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn với van đóng ngắt điều khiển lực ép bánh đai chủ động để đạt được tỷ số truyền mong muốn

3 Phương án kiểm định giả thiết

Xây dựng mô hình toán các phần tử, mô hình hóa, mô phỏng

hệ thống tiến hành khảo sát các phương án điều khiển tỷ số truyền trên mô hình; thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tự động tỷ số truyền của truyền động vô cấp theo tải trọng nhằm kiểm định kết quả nghiên

cứu lý thuyết, mô phỏng

4 Mục tiêu của luận án

Lựa chọn được phương án và xây dựng hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền bộ truyền động đai vô cấp đáp ứng yêu cầu giữ điểm làm việc của LHM tại vùng làm việc có lợi nhất trên đặc tính của động cơ, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

5 Đối tượng nghiên cứu

Bộ truyền động vô cấp đai thang cho máy kéo bốn bánh có công suất nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam

6 Giới hạn nghiên cứu

Sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trong nghiên cứu lý thuyết; thí nghiệm kiểm chứng được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên cơ sở chế tạo thiết bị thí nghiệm tự động điều khiển tỷ số truyền theo tải trọng, tải trọng được tạo bằng cách thay đổi áp suất trong hệ thống thủy lực phụ tải; phần điều khiển điện tử của thiết bị được đơn giản hóa theo mục tiêu nghiên cứu của luận án

Thời gian nghiên cứu: từ tháng 5 năm 2011 đến tháng 5 năm 2014

7 Đóng góp mới của luận án

- Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học máy kéo truyền lực

vô cấp phân tầng liên hợp với máy nông nghiệp mô tả đầy đủ về kết cấu, hoạt động và tác động qua lại giữa các phần tử Máy kéo – Máy cày – Đất canh tác Mô hình có thể được sử dụng để khảo sát linh hoạt hệ thống theo các điều kiện thay đổi tải trọng và mức ga để đánh giá tính chất điều khiển và truyền động của LHM Độ tin cậy và chính xác của

mô hình đã được đánh giá thông qua các thí nghiệm đối chứng

- Thiết bị thí nghiệm được thiết kế chế tạo từ luận án sử dụng các phương pháp đo, thu nhận số liệu, xử lý và điều khiển hiện đại có thể thử nghiệm tốt các phương án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát các phương án thay đổi tải, được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây dựng chương trình điều khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng

- Xác định được phương án điều khiển tự động tỉ số truyền của truyền động vô cấp bằng hệ thống thủy lực sử dụng van đóng ngắt tạo lực ép tác động vào bánh đai chủ động, bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo có kết cấu đơn giản, phù hợp với điều kiện sản xuất Việt Nam

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam

Tính đến năm 2012, ở Việt Nam có khoảng 300 nghìn máy kéo các loại sử dụng trong sản xuất nông nghiệp với tổng công suất lên tới 3,68 triệu kW, trong đó công suất của máy kéo lớn chỉ chiếm khoảng 40% (Phạm Văn Lang, 2012), mức độ cơ giới hóa trong khâu làm đất trồng lúa ở miền Bắc là 76,4%, cả nước là 89,5% (Việt Hà, 2013) Hầu hết các máy kéo nhỏ sản xuất trong nước đang sử dụng ở

Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản

1.2 Tổng quan về chuyển động vô cấp trên máy kéo

1.2.1 Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp

Để kết nối, truyền và biến đổi chuyển động từ động cơ đến bộ phận di động, hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng rất phổ biến các dạng truyền động vô cấp trong hệ thống truyền lực của ô tô - máy kéo Truyền động vô cấp có thể là truyền động thủy lực, truyền động điện hay truyền động cơ khí

1.2.2 So sánh các loại truyền động vô cấp

Truyền động vô cấp ứng dụng trên máy kéo rất đa dạng, trong chế tạo và sử dụng CVT được đánh giá theo các tiêu chí: Khả năng truyền

mô men, phạm vi thay đổi tỷ số truyền, hiệu suất truyền động, tính nhạy,

độ ồn khi làm việc, thể tích riêng, tuổi thọ Tuy nhiên, việc so sánh đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn được dạng truyền động vô cấp phù hợp cho hệ thống truyền lực của máy kéo phải trên cơ sở công suất truyền tải Đối với máy kéo công suất nhỏ được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp, bộ truyền vô cấp đai thang đáp ứng tốt các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

1.3 Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài luận án

1.3.1 Các nghiên cứu về máy kéo với truyền lực vô cấp

Phạm vi điều chỉnh tỷ số truyền của truyền động vô cấp nằm trong khoảng 1:5 và 1:9, do đó không đảm bảo cho dải thay đổi tải trọng khi chỉ sử dụng một bộ truyền động vô cấp Để máy kéo làm việc tối ưu trong quá trình canh tác cũng như vận chuyển, cần thiết phải có thêm trong hệ thống truyền lực một hộp số cơ học có thêm các cấp số tỷ số truyền Đã có các nghiên cứu và ứng dụng truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ trên thế giới Trong các ứng dụng này,

hệ thống truyền lực của máy kéo được bố trí theo hai phương án:

- Truyền lực vô cấp được bố trí trước hộp số cơ học

- Truyền lực vô cấp được bố trí sau hộp số cơ học

1.3.2 Các nghiên cứu về điều khiển truyền động vô cấp

Các khía cạnh nghiên cứu nhằm điều khiển lực ép phù hợp vào puli để đạt được một tỉ số truyền mong muốn là một phần tất yếu của nghiên cứu CVT hơn hai thập kỷ qua

Để đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu mong muốn ứng với các mức độ khác nhau của mô-men xoắn, cả tốc độ động cơ và mô-men xoắn động cơ cần phải được kiểm soát đồng thời Các nghiên cứu và ứng dụng điều khiển CVT sử dụng hệ thống thủy lực với van tùy động đáp ứng tốt các mục tiêu điều khiển nhưng có nhược điểm giá thành cao, công nghệ chế tạo phức tạp

1.4 Ứng dụng truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ sản xuất tại Việt Nam

Trong truyền động vô cấp sử dụng đai thang bản rộng cho máy kéo nông nghiệp có công suất nhỏ, việc điều khiển tỷ số truyền có thể

sử dụng lò xo kết hợp với hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn sử dụng van đóng ngắt Ưu điểm của phương pháp này cho phép sử dụng nguồn dầu thủy lực có lưu lượng không đổi Mặt khác, hệ thống điều khiển hai điểm với van đóng ngắt có chương trình điều khiển đơn giản, công nghệ chế tạo phù hợp với điều khiển sản xuất trong nước và chi phí đầu tư thấp rất phù hợp với cho máy kéo có công suất nhỏ có yêu cầu chi phí đầu tư không cao

Xuất phát từ mục tiêu trên tác giả Bùi Việt Đức đã thực hiện nghiên cứu ban đầu nhằm ứng dụng truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ tại Việt Nam, với đề tài “Nghiên cứu một số quan hệ động lực học truyền động vô cấp đai thang bản rộng cho máy kéo nhỏ” được

thực hiện tại Trường Đại học Rostock năm 2007 Luận án tập chung vào nghiên cứu tính chất hoạt động của bộ truyền vô cấp sử dụng đai thang bản rộng và mô phỏng hệ thống truyền lực của máy kéo với bộ truyền vô cấp đai thang bản rộng với thí dụ hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ Các phương án nghiên cứu là thay đổi tốc độ quay của động

cơ, thay đổi tải trọng của động cơ, đóng mở li hợp và thay đổi tỉ truyền Việc thay đổi tỉ số truyền được thực hiện đơn giản bằng cách thay đổi lực ép lên đĩa di động của bánh đai chủ động và hệ thống truyền lực của máy kéo nghiên cứu chỉ giới hạn đến bánh xe máy kéo

và tải trọng chỉ nghiên cứu đơn giản là thay đổi lực kéo của máy kéo Như vậy luận án chưa quan tâm đến việc điều khiển tự động tỉ số truyền của CVT phù hợp với các chế độ làm việc của máy kéo trên đồng ruộng cũng như khi vận chuyển Mô hình hệ thống truyền lực của máy kéo chưa xét đến các hoạt động thực của máy nông nghiệp khi liên hợp với máy kéo trong quá trình canh tác

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng

Trong lĩnh vực động lực học máy, phương pháp mô hình hóa

và mô phỏng được sử dụng rất phổ biến do ưu thế nhiều mặt Có hai phương pháp cơ bản trong mô hình hóa là mô hình hóa vật lý và mô hình hóa toán học Trong luận án sử dụng chủ yếu phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng bằng phần mền Mathlab- simulik để giải bài toán và khảo sát các vấn đề nghiên cứu

2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được sử dụng để kiểm chứng lý thuyết, so sánh đánh giá mô hình mô phỏng

Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được

sử dụng để đạt được mục tiêu chính là chế tạo bộ truyền động đai vô cấp điều khiển tỷ số truyền tự động theo tải trọng

2200 v/p

40 Nm 9,2 kW(12,5ML)

Truyền động

vô cấp (i=0,34-2,92)

Li hợp

R I

I

II 1,5 12,75 km/h

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN BÁNH TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 3.1 Phác thảo sơ đồ truyền lực VCPT cho máy kéo nhỏ bốn bánh

Do đặc điểm hoạt động, sự thay đổi của lực cản và vận tốc chuyển động của máy kéo được phân tầng rõ rệt Hình 3.1 giới thiệu

sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh đáp ứng đặc điểm thay đổi tải trọng khi cánh tác và vận chuyển

Công suất động cơ được truyền tới bánh xe qua CVT, li hợp

ma sát đơn, hộp số bánh răng hai cấp, truyền lực chính và truyền lực cuối cùng Với hộp số hai cấp, máy kéo có thể chuyển động với vận tốc từ 1,5 đến 12,5 km/h khi làm việc trên đồng và 4 đến 22,75 km/h khi vận chuyển trên đường

Hình 3.1 Sơ đồ truyền động VCPT cho máy kéo nhỏ 3.2 Xây dựng mô hình các hệ thống thành phần

3.2.1 Mô hình động cơ máy kéo

Luận án tập trung nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo, do đó động cơ được nhìn theo ý nghĩa là một nguồn động lực đáp ứng yêu cầu năng lượng khi hoạt động với tải trọng khác nhau trong nông nghiệp, trong mô hình nghiên cứu chỉ xem xét

động cơ làm việc trên nhánh tự điều chỉnh của đường đặc tính ngoài Việc mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ trong nhánh này thể hiện qua công thức:

N

n n M

3.2.2 Mô hình truyền động vô cấp phân tầng

Truyền lực vô cấp phân tầng bao gồm: truyền lực vô cấp đai thang bản rộng điều khiển được tỷ số truyền, li hợp ma sát đơn, hộp

số phân tầng bánh răng ăn khớp ngoài có hai số tiến và một số lùi, truyền lực chính và truyền lực cuối Do mục tiêu nghiên cứu, trong

mô hình chỉ mô phỏng phần tử truyền động vô cấp

* Mô hình truyền động đai vô cấp bản rộng

Khả năng truyền công suất của bộ truyền động đai biến tốc phụ thuộc vào lực ma sát giữa dây đai và bánh đai, lực ma sát được tạo ra nhờ lực ép và hệ số ma sát Giá trị của các lực ép có ảnh hưởng quyết định tới sự truyền mô men giữa các trục truyền động Để bộ truyền đai không bị trượt trơn, các lực ép được tính toán sao cho mô-men

ma sát lớn hơn mô – men được truyền Tỷ số truyền được giữ cố định nhờ một trạng thái ổn định của lực ép trên bánh đai chủ động

Hình 3.2 Lực dụng lên bánh đai

Để xác định lực ép yêu cầu cho một trạng thái làm việc ổn định, cần phải tính toán thành phần lực tác động theo hướng dọc trục trên cung ôm giữa dây đai và bánh đai (hình 3.2)

( )





d r f





d r f

Lực ép trên các bánh đai được xác định như sau:

Trên bánh đai chủ động: Fax1= Fxl0 + Fxl1 (3-5)

Fxl được xác định từ xi lanh thủy lực: Fxl = A1.p1 (3-6) Trên bánh đai bị động: Fax2= Flx + Fxl1 (3-7)

Fxl và Fxl1 là lực ép và giá trị thay đổi của lò xo

Lực ép lò xo được xác định theo công thức

Trong đó Flx0 là lực ép ban đầu Clx là độ cứng của lò xo Các giá trị thay đổi của lực ép trên các bánh đai thường không diễn ra đồng thời, một trong hai giá trị thay đổi này luôn bằng không Nếu Fax1> 0 thì Fax2= 0 và Fax2> 0 thì Fax1= 0

Lực ép thay đổi không chỉ tạo ra sự thay đổi động lực học tỷ

số truyền mà còn đưa đến sự khác biệt của lực ép trên các bánh đai,

sự khác biệt này chính là tỷ số giữa lực ép trên bánh đai chủ động và lực ép trên bánh đai bị động Tỷ số lực ép giữa các bánh đai phụ thuộc vào tỷ số truyền và mô men, các giá trị của thông số này thường được xác định từ thực nghiệm

Sự thay đổi tỷ số truyền: Luận án sử dụng mô hình của Shafai (1995) dưới đây

x k

ax ax cvt

cvt

b e l

F F i

dt

di

) 2 ( tan 2

) (

) 1

0 2 1

ax

dt di ax

ax

F

F F

F - Lực ép tức thời của lò xo; bx- hệ số giảm chấn Shafai

Để tính toán mô phỏng tỷ số truyền của CVT, giá trị của ξ được xác định bằng thực nghiệm

* Mô hình hệ thống điều khiển bằng thủy lực

Để đánh giá tính chất điều khiển của hệ thống thủy lực, luận án tiến hành mô phỏng, khảo sát hệ thống thủy lực với van tùy động và van đóng ngắt 3/3 Từ kết quả khảo sát lựa chọn hệ thống thủy lực sử dụng van đóng ngắt 3/3 điều khiển tỉ số truyền cho CVT (hình 3.3)

Hình 3.3 Mô hình điều khiển tự động sử dụng van đóng

ngắt điện từ

Bộ điều khiển sử dụng phương thức điều khiển hai điểm theo sai lệch, tạo ra tín hiệu điều khiển dạng xung Van đóng ngắt điện từ 3/3 điều khiển dòng dầu vào - ra xi lanh cho đến khi đạt được vị trí mong muốn

Nguồn cấp dầu thủy lực: Trong mô hình sử dụng nguồn thủy lực có áp suất pDQ không đổi

Xi lanh: Sử dụng xi lanh tác động một chiều có phương trình gia tốc chuyển động của piston:

m

F F F

(3-12)

Van đóng ngắt điện từ

Xi lanh thủy lực CVT

Trong đó: F  A p - lực đẩy của piston; FLX – là lực ép của bánh đai bị động: F LX F0C.x (3-13)

Fms- lực ma sát: Fms = μFLXsign(v) (3-14) Van đóng ngắt 3/3 điều khiển điện: Van thực hiện việc đóng ngắt dòng dầu thủy lực bằng tín hiệu điện từ điều khiển con trượt di chuyển, tác động trả về nhờ lực lò xo

Phương trình dòng chảy thủy lực qua van:

Khi cấp dầu: Qk Dr.A v p DQp.signp DQp (3-15) Khi xả dầu: Qk Dr.A v p (3-16) Trong đó: Q- lưu lượng qua van; pDQ- áp suất nguồn cung cấp; p- áp suất làm việc; Av- diện tích lưu thông qua van; kDr- hệ số lưu lượng của van

Trên cơ sở mô hình toán học và mối quan hệ giữa các phần tử,

mô hình được mô phỏng bằng phần mền Mathlab-simulink Kết quả khảo sát là sự thay đổi các thông số lưu lượng, áp suất dầu, hành trình và vận tốc dịch chuyển piston dưới tác động mở van cấp dầu và xả dầu

Hình 3.4 Kết quả khảo sát điều khiển tự động bằng van đóng ngắt

1- Xung điều khiển; 2- Hành trình piston

1

2