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
Trang 1BỘ 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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
HÀ NỘI – 2014
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Hải Triều
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Phản biện 1: GS.TS Phạm Minh Tuấn
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 2: PGS.TS Đặng Tiến Hòa
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu
Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Họp tại Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Quốc gia
2 Thư viện Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Tính chất chuyển động vòng là một trong những tính chất làm việc quan trọng của máy kéo (MK) dùng trong nông nghiệp Quỹ đạo và sự ổn định chuyển động của máy kéo nông nghiệp (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
Để thiết kế tốt và sử dụng có hiệu quả các liên hợp máy, trước hết cần nghiên cứu phân tích rõ ảnh hưởng của các thông số kết cấu và yếu tố sử dụng đến các đặc trưng chuyển động vòng của máy kéo Đây là lĩnh vực còn
ít được quan tâm và rất ít kết quả nghiên cứu được công bố ở Việt Nam Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên, tác giả luận án đã chọn đề tài
“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” làm
đề tài nghiên cứu của mình với mong muốn góp phần lấp đầy khoảng trống tri thức nói trên
2 Mục tiêu của đề tài luận án
Mục tiêu của đề tài luận án là xây dựng được một chương trình mô phỏng động lực học quay vòng MK, 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 (SXNN)
3 Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Từ 2011 đến 2013, tại Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Góp phần xây dựng một phương pháp xác định các thông số tối ưu của MK 4 bánh, làm luận cứ khoa học cho việc thiết kế MK mới, cải tiến
MK đã có, lựa chọn trang bị hệ thống MK phù hợp, đồng thời định hướng khai thác sử dụng chúng có hiệu quả và an toàn nhất trong điều kiện VN
Trang 4- Phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu lí thuyết cũng như thực nghiệm cũng đóng góp bổ sung cho công tác đào tạo đại học và sau đại học trong lĩnh vực liên quan
5 Những đóng góp mới của đề tài luận án
- Luận án đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của MKNN, đó là xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát động lực học MK theo phương ngang trong tương tác phức tạp giữa động cơ – truyền lực – di động – máy nông nghiệp, trong đó chú trọng mối quan hệ giữa bánh xe và đất nông nghiệp
- 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 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 đã xây dựng là một mô hình bán thực nghiệm, có thể kết nối với mô hình phẳng bất kỳ mô tả động lực học chuyển động của
MK hoặc MNN tự hành có trang bị bánh xe cùng loại
- Đề xuất phương pháp thực nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động của
MK bằng sử dụng sensor V1-Datron, khá chính xác và phù hợp với điều kiện ô
tô, MK và MNN tự hành chuyển động trên đường hoặc trên đồng ruộng
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
Hệ thống MK ở nước ta, cả máy nhỏ và máy lớn phần lớn là có nguồn gốc nhập ngoại, chủ yếu mang tính tự phát vì dường như chưa có những cứ liệu khoa học và những quy định pháp lý trong lựa chọn
Công nghệ chế tạo MK, đặc biệt là MK 4 bánh của nước ta còn rất non kém, chủ yếu là chép mẫu các máy nhỏ, đơn giản và chưa đáp ứng được nhu cầu phát triển cơ giới hoá trước mắt và lâu dài Vì vậy nhất thiết phải đầu tư nghiên cứu từ thiết kế sơ bộ đến thiết kế hoàn thiện MK
Trang 51.2 Khái quát về tính chất chuyển động vòng của máy kéo bánh
Tính chất chuyển động được định nghĩa là tính chất tổng quát của hệ thống “Người lái - Xe - Môi trường” (hình 1.1) Theo Mischke (1990), để đánh giá được hệ thống kín này trước hết cần phải đánh giá hệ thống hở (tức không có mạch liên hệ ngược) Qua hệ thống hở, có thể xác định được các phản ứng của MK khi có các yếu tố điều khiển hoặc kích động bên ngoài khác Mặt khác các số liệu về tính chất chuyển động nhận được từ các mô phỏng chuyển động không có tác động của người lái (thực ra là các tác động này đã được thay thế bằng hàm góc quay vành lái, thậm chí cả hàm ga) sẽ
mô tả một cách khách quan tính chất chuyển động của MK
Hình 1.1 Mô hình hệ thống điều khiển mạch kín của
ô tô máy kéo
Nghiên cứu động lực học hướng chuyển động, trước hết và chủ yếu là nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô máy kéo (Nguyễn Khắc Trai, 1997) Khi xem xét quỹ đạo chuyển động, vấn đề luôn luôn được đặt ra dưới dạng chuyển động vòng tổng quát, trong đó chuyển động thẳng chỉ là một trường hợp đặc biệt
1.3 Thành tựu nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy kéo trong và ngoài nước
Ở các nước phát triển, nghiên cứu các tính chất chuyển động của MK
đã đạt trình độ cao, các nhà khoa học đã giải quyết thành công các bài toán điều khiển lập trình hoặc lái tự động theo GPS Tuy nhiên điều kiện đất đai
Người lái
Động cơ Truyền lực Phanh, Lái
MÁY KÉO
Ảnh hưởng mặt đường
Quĩ đạo cần theo
(yêu cầu)
Quĩ đạo hiện tại
(kết quả điều khiển)
Liên hệ ngược Nhiễu ngoài
Trang 6canh tác lúa nước ở Việt Nam luôn là thách thức to lớn cho việc giải quyết vấn đề di động của các loại MK và MNN tự hành
Từ nhiều năm nay, các nhà khoa học trong nước chủ yếu tập trung nghiên cứu cải thiện tính chất kéo bám cho MKNN, nghiên cứu dao động thẳng đứng cho MK vận chuyển hoặc ổn định lật đổ cho các MK đồi dốc Theo những thông tin có được, có thể nói rằng những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về tính chất chuyển động của MK ở nước ta còn rất hạn chế và, hầu như chưa có công bố kết quả nghiên cứu động lực học theo hướng ngang của MK, nhất là MKNN
Trong phần Tổng quan còn phân tích ưu nhược điểm của nhiều mô hình nghiên cứu đặc tính bánh xe cũng như mô hình khảo sát tính chất chuyển động của toàn xe, nhằm lựa chọn mô hình nghiên cứu phù hợp nhất
Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
- Lựa chọn và xây dựng mô hình ĐLH chuyển động của MK bánh
- Thiết kế, chế tạo các thiết bị thí nghiệm xác định các tham số vào của mô hình và đặc tính của một số phần tử chính của mô hình
- Mô phỏng tính chất chuyển động vòng của MK trên máy tính số
- Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu và sử dụng đến tính chất chuyển động vòng của MK bánh dùng trong nông nghiệp
- Thí nghiệm nhằm kiểm chứng mô hình bánh xe và kiểm chứng mô hình toàn xe trong điều kiện thực tế
2.2 Phương pháp nghiên cứu đã áp dụng
2.2.1 Phương pháp mô hình hoá
Luận án sử dụng phương pháp mô hình hóa để mô tả các phần tử chính (động cơ, bánh xe, MNN) và toàn bộ máy kéo bằng các mô hình toán học, trong khi vẫn đảm bảo giữ nguyên bản chất vật lí của cơ hệ
Trang 72.2.2 Phương pháp mô phỏng số kết hợp mô phỏng thực nghiệm
Phần mềm mô phỏng MatLab/Simulink được ứng dụng để giải bài toán nghiên cứu, trong đó hầu hết các thông số đầu vào đều được xác định
từ thực nghiệm hoặc từ các mô phỏng thực nghiệm
2.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Luận án đã xây dựng được các phương pháp thực nghiệm như:
- Thực nghiệm xác định mô men quán tính của các máy kéo
- Khảo nghiệm động cơ để xác định nhanh đặc tính mô men
- Thí nghiệm xây dựng đặc tính bánh xe máy kéo
- Xây dựng quỹ đạo chuyển động vòng thực tế của máy kéo
2.2.4 Phương pháp đánh giá tính chất chuyển động vòng của máy kéo
- Đánh giá tính chất động lực học chuyển động vòng
- Các thông số đặc trưng cho quá trình quay vòng ổn định
- Khả năng đáp ứng của MK với quỹ đạo chuyển động cho trước
Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP 3.1 Lựa chọn mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo
Trong nghiên cứu động lực học ô tô máy kéo bằng kỹ thuật mô hình hóa, vấn đề quan trọng là mô hình xây dựng phải phản ánh được những đặc trưng cơ bản nhất của cơ hệ, có thể xây dựng được chương trình giải và khảo sát linh hoạt Ngoài ra, phải kiểm chứng được bằng thực nghiệm Cần lựa chọn một mô hình sao cho có số bậc tự do ít nhất có thể được
mà vẫn cho kết quả phù hợp về các mối quan hệ động lực học của hệ trong một miền đủ rộng Theo quan điểm đó, chọn mô hình phẳng một vết
3.2 Xây dựng mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo
Để nghiên cứu tính năng quay vòng của máy kéo bánh một cách khái quát nhất, cần lập sơ đồ tính toán quay vòng máy kéo bánh có hai cầu chủ động, với các bánh xe trước là các bánh xe dẫn hướng (hình 3.1)
Trang 8Hình 3.1 Sơ đồ một vết nghiên cứu tính chất chuyển động
vòng của máy kéo 4x4
Như vậy các MK có một cầu chủ động chỉ là trường hợp riêng
3.2.1 Các giả thiết chính đặt ra khi xây dựng mô hình nghiên cứu
- Máy kéo chuyển động trên mặt đồng bằng phẳng, bỏ qua dao động thẳng đứng, bỏ qua chuyển động vặn và chuyển động lật
- Các lực tác dụng trong mặt phẳng ngang song song với mặt đường không dốc
- Trọng tâm của MK nằm trên mặt phẳng chuyển động Coi sự phân bố lại trọng lượng trên các cầu và trên các bánh xe trái phải khi chuyển động vòng là không đáng kể
- Hai bánh xe trên mỗi cầu được quy đổi thành một bánh xe tương đương đặt tại điểm giữa cầu Qui ước góc quay trung bình của các bánh dẫn hướng trước là =(t), trong tính toán đặt tại điểm giữa của cầu trước
- Bỏ qua các góc đặt bánh xe dẫn hướng
Trang 9.
.
3.2.2 Hệ thống phương trình vi phân trong chuyển động vòng
Từ mô hình động lực học chuyển động hình 3.1 có thể xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động của MK hai cầu chủ động trong mặt phẳng ngang như dưới đây Kí hiệu chỉ số “F” cho cầu trước, chỉ số “R” cho cầu sau
(3-1)
Hai phương trình đầu mô tả tính chất truyền lực từ động cơ đến các cầu chủ động còn ba phương trình sau mô tả chuyển động của thân xe trong mặt phẳng ngang Để giải được hệ phương trình (3-1) cần thiết phải xác định các quan hệ động học bổ sung và xây dựng mô hình động lực học của các phần tử chính trong hệ thống
3.2.4 Mô hình động cơ máy kéo
Đặc tính Ne=f(ne) và Me=f(ne) của D-240 (trên MK MTZ-80) và 3T84 (trên MK Yanmar-3000) được xây dựng bằng phương pháp phanh tạo tải trên trục trích công suất (PTO) của MK nhờ bệ thử thủy lực F-4000 của
YM-Mỹ Phương trình đường đặc tính mô men được biểu diễn như sau:
Đối với động cơ D-240: M E 20,59 E 5000,6 (3-5)
Trang 10Đối với động cơ YM-3T84:
- Với mức ga 100%: M E 7,01 E2029,1 (3-6)
- Với mức ga 50%: M E 5,86 E1380,5 (3-7) Khi MK quay vòng, lực cản có thể tăng lên chút ít nhưng do bơm nhiên liệu cao áp được trang bị bộ điều tốc li tâm mọi chế độ, nên động cơ lại nhanh chóng thiết lập điểm làm việc mới mà không phải về số
3.2.5 Mô hình hệ thống truyền lực
Sơ đồ truyền lực và kết cấu vi sai của máy kéo bánh và ô tô có ảnh hưởng nhất định đến tính chất chuyển động vòng của xe Tuy nhiên, trong rất nhiều công trình nghiên cứu về tính chất chuyển động của ô tô máy kéo với
mô hình phẳng, các tác giả đều giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của các biến dạng trong hệ thống truyền lực, bỏ qua ảnh hưởng của phân bố lại mô men theo tình trạng bám giữa các cầu và giữa các bánh xe chủ động cùng cầu
Giả thiết này có thể chấp nhận được vì MK cỡ nhỏ thường được trang
bị bộ vi sai đơn giản Với MK có vi sai tự gài thì phải tính mô men cản McVS
Do đó mô hình hệ thống truyền lực trở nên đơn giản hơn, chỉ là mô tả
sự phân chia và biến đổi mô men đến các cầu chủ động theo kết cấu (tỉ số truyền) của MK nghiên cứu và được biểu diễn bởi hai phương trình đầu tiên của hệ phương trình (3-1)
3.2.6 Mô hình bánh xe máy kéo trên đất nông nghiệp
Bánh xe - phần tử kết nối giữa máy kéo và mặt đồng - là phần tử quan trọng đặc biệt của mô hình mô phỏng Mô hình bánh xe MKNN đã được xây dựng trên cơ sở phát triển mô hình Burckhardt, theo đó kết hợp giữa lý thuyết Kamm với các kết quả thực nghiệm theo phương dọc của bánh xe trên đất Các thí nghiệm xác định tham số cũng như thực nghiệm kiểm chứng mô hình đều được thực hiện trên thiết bị thí nghiệm bánh xe máy kéo WTD-2 do chính nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo
Quan hệ giữa hệ số bám tổng hợp R và độ trượt tổng hợp SR:
Trang 11- Bánh xe chủ động: S RR S xR2 S yR2 (1S xR)2tg2 RS xR2 (3-10)
- Bánh xe bị động: S RF S2xFS2yF (1S xF)2tg2 F S xF2 (3-11)
Hệ số bám dọc và hệ số bám ngang khi đó được tính theo công thức:
(3-12)
Các công thức (3-8) và (3-9) thỏa mãn trong toàn vùng [0(Sx;Sy)1],
do đó các hệ số C1, C2, C3 có thể được xác định dễ dàng trong trường hợp
Sy=0 Có nghĩa là chỉ cần tổ chức thí nghiệm kéo bám để xác định độ trượt của bánh xe theo phương dọc (Trong thực tế, việc xác định độ trượt theo
phương ngang khá phức tạp và khó nhận được kết quả chính xác)
Khi đó =0 nên Sy=0 và y=0, do đó SR=Sx và R=x
Đồng thời, cũng trên cơ sở số liệu thực nghiệm, có thể xác định được các mối quan hệ giữa lực dọc, lực ngang phụ thuộc vào hệ số bám; lực cản lăn phụ thuộc độ trượt và mô men đàn hồi trên bánh xe thí nghiệm:
Sx) và ngang (y-Sx) của bánh xe MK ở các góc chuyển động lệch
3.2.7 Lực cản kéo của máy nông nghiệp
Các MK có thể liên kết với MNN loại treo, loại móc hoặc rơ-mooc Trong phạm vi nghiên cứu chuyển động vòng, giả thiết trị số của lực cản MNN không đổi, cho phép thay thế MNN bằng một véc tơ lực FM đặt tại
v
Trang 12điểm móc, có phương lệch với trục dọc của MK góc tính theo công thức
(3-14), phụ thuộc bán kính vòng:
(3-14)
Trong đó: M được tính như sau: M 2l M2 d2 (3-15)
3.3 Mô phỏng động lực học chuyển động của máy kéo trên đất nông
nghiệp bằng phần mềm Matlab/Simulink
Luận án chọn đối tượng nghiên cứu mô phỏng và thí nghiệm kiểm
chứng mô hình là máy kéo MTZ-80, một loại máy kéo 4x2 rất thông dụng
vì được thực tế chấp nhận do tính năng phù hợp với sản xuất nông nghiệp
Đối với MK một cầu chủ động, hệ thống phương trình vi phân (3-1)
khi máy kéo chuyển động vòng được viết lại như sau:
(3-16)
Các quan hệ động học và động lực học bổ sung nhằm hỗ trợ việc giải
hệ (3-16) cũng được lập tương tự như trường hợp máy kéo có sơ đồ 4x4
Sử dụng mô phỏng Matlab/Simulink để giải hệ phương trình trên Từ
các hệ phương trình (3-16) và (3-2), tính ra được các góc lệch bên F, R và
độ trượt SxF, SxR Sau đó đưa vào mô hình bánh xe (mục 3.2.6) để tính ra các
lực FXR, FXF, FYR, FYF, FLR, FLF và các mô men MZR, MZF Tiếp tục đưa
chúng trở lại hệ phương trình (3-16) để tính ra các thông số đặc trưng cho
chuyển động vòng của máy kéo như , v, , , ,
Mô hình đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm (mục 5.3.3) Căn cứ
mục đích mô phỏng có thể kết luận mô hình mô phỏng khá tương thích và
đủ tin cậy để có thể ứng dụng khảo sát các loại máy kéo khác
R
.
Trang 13Hình 4.1 Các phương án thay đổi góc lái cuối
Chương 4 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG VÒNG
CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP
Đối với khảo sát mô phỏng, cần ưu tiên trước hết dùng phương pháp mạch hở (open-loop-test), tức là thay thế tác động của người lái bằng các hàm tiền định, nhằm đánh giá khách quan hơn tính chất của hệ thống
4.1 Chọn đối tượng để khảo sát
Chọn Yanmar-3000 làm đối tượng khảo sát là vì MK này có công suất cỡ vừa (30HP), có kết cấu và các đặc tính kỹ thuật rất phù hợp với điều kiện sản xuất nông nghiệp nước ta và được nông dân ưa chuộng
thể hiện cùng trong hình 4.1 Tốc độ đánh lái 0,13 d /ra slà khá nhỏ
nên MK chuyển hướng chậm, tốc độ xoay thân xe không lớn nên quá trình quá độ tương đối dài Các phương án khảo sát với các góc lái cuối khác nhau chỉ khác nhau ở giai đoạn vòng ổn định, thể hiện ở chỗ khi tăng góc lái cuối thì gia tốc ngang của trọng tâm lớn hơn và bán kính quay vòng giảm đi đáng kể
