Nghiên cứu tính năng kéo bám của hệ thống di động xích máy nông nghiệp tự hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ĐÀO HỮU ĐOÀN

NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG KÉO BÁM

CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG

XÍCH MÁY NÔNG NGHIỆP TỰ HÀNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ĐÀO HỮU ĐOÀN

NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG KÉO BÁM

CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG

XÍCH MÁY NÔNG NGHIỆP TỰ HÀNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ : 62 52 01 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ

2. PGS.TS. NÔNG VĂN VÌN

HÀ NỘI – 2015

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả

nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng

dùng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được

cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 05 tháng 01 năm 2015

Tác giả luận án

Đào Hữu Đoàn

ii

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy

hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quế và PGS.TS. Nông Văn Vìn, Học viện

Nông Nghiệp Việt Nam đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ để tôi hoàn

thành bản luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy trong ban lãnh đạo, tập thể cán bộ

giáo viên Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Ban Giám hiệu và các

đơn vị, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Giám hiệu và các đơn vị,

Trường Cao đẳng Nghề Bắc Giang đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều

kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và đặc

biệt các thành viên trong gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ và động viên để tôi hoàn

thành bản luận án này.

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận án

Đào Hữu Đoàn

iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi

Danh mục bảng x

Danh mục hình xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Nhiệm vụ của luận án 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

6 Những đóng góp mới của luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tính chất cơ lý của đất 6

1.1.1 Các tính chất vật lý của đất 6

1.1.2 Các tính chất cơ học của đất 8

1.2 Tổng quan về xích máy kéo nông nghiệp 11

1.2.1 Xích cứng 12

1.2.2 Xích mềm 12

1.3 Nghiên cứu trên thế giới về tính chất kéo bám của hệ thống di động xích 13

1.3.1 Phân bố ứng suất của đất dưới tải trọng xe 14

1.3.2 Ứng dụng của lý thuyết cân bằng dẻo đối với tương tác máy-đất 16

1.3.3 Phương pháp thực nghiệm xác định tính chất kéo bám của máy kéo xích 22

1.3.4 Xác định ứng suất và biến dạng của đất 24

1.3.5 Một số nghiên cứu về hệ thống di động xích mềm ở ngoài nước 30

1.4 Một số kết quả nghiên cứu về xe xích ở Việt Nam 33

1.5 Kết luận chương và nhiệm vụ của luận án 35

iv

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 Nghiên cứu lý thuyết 37

2.1.1 Phương pháp mô hình hóa 37

2.1.2 Phương pháp xác định tính chất kéo bám máy kéo xích cứng 41

2.1.3 Phương pháp mô hình hóa xác định tính chất kéo bám của hệ thống

di động xích mềm 44

2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 50

2.2.1 Mục tiêu và nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm 50

2.2.2 Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho mô hình nghiên

cứu lý thuyết 52

2.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất kéo bám của máy kéo

xích với hệ thống di động xích cao su 59

2.3 Kết Luận chương 2 63

Chương 3 MÔ HÌNH LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT KÉO BÁM

CỦA MÁY KÉO XÍCH CAO SU 65

3.1 Đặt vấn đề 65

3.2 Mô hình lý thuyết xác tính chất kéo bám của hệ thống xích cứng 67

3.2.1 Mô hình vật lý 67

3.2.2 Mô hình toán 69

3.3 Mô hình xác định tính chất kéo bám của hệ thống di động xích cao su 77

3.3.1 Tính phân bố áp suất tiếp xúc dưới dải xích cao su p’i(X) 77

3.3.2 Tính lực đẩy P’k 79

3.3.3 Tính lực cản lăn P’f 80

3.3.4 Tính độ lệch của tâm áp lực e’0i 80

3.3.5 Phương trình cân bằng công suất và hiệu suất kéo 80

3.4 Lưu đồ tính 81

3.5 Khảo sát tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su thiết kế mới B2010 83

3.5.1 Thông số kỹ thuật của xe 83

3.5.2 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc loại đất 84

3.5.3 Một số kết quả mô phỏng tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su 85

3.6 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng đến

tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su 89

v

3.6.1 Ảnh hưởng của trọng lượng G 89

3.6.2 Ảnh hưởng của bề rộng dải xích B và chiều cao mấu xích h (B/h) 92

3.6.3 Ảnh hưởng của lực căng xích T0 đến chất lượng kéo bám 94

3.6.4 Ảnh hưởng của khoảng cách bánh đè xích lp đến chất lượng kéo bám 97

3.7 Kết luận chương 3 100

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 101

4.1 Đặt vấn đề 101

4.2 Xác định các thông số đầu vào cho mô hình nghiên cứu lý thuyết 101

4.2.1 Xác định các thông số của mô hình đất 101

4.2.2 Xác định các thông số kết cấu và kỹ thuật của máy kéo xích cao su 110

4.3 Nghiên cứu thực nghiệm tính chất kéo bám của máy kéo xích cao su B2010 116

4.3.1 Mô hình thí nghiệm 116

4.3.2 Mô hình vật lý 117

4.3.3 Thiết bị đo 118

4.3.4 Thiết kế và chế tạo thiết bị lắp ráp dụng cụ đo mômen 121

4.3.5 Thiết bị chuyển đổi Analog – Digital (Card A/D) và phần mềm

DASYLab 125

4.4 Quy trình thí nghiệm 125

4.5 Kết quả thí nghiệm 126

4.6 Tính toán các số liệu thí nghiệm 128

4.6.1 Xác định các thành phần lực, mô men và độ trượt 128

4.6.2 Xử lý số liêu 130

4.6.3 So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết với kết quả nghiên cứu thực nghiệm 133

4.7 Kết luận chương 4 134

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 136

1 Kết luận 136

2 Để nghị 137

Danh mục công trình đã công bố liên quan đến luận án 138

Tài liệu tham khảo 139

Phụ lục 145

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị

τ Ứng suất cắt của đất kPa

α Góc lệch tâm của bánh sau Rad

σ Ứng suất pháp của đất kPa

η Hiệu suất kéo %

γ s Trọng lượng riêng của đất N/m3

β Góc lệch tâm của bánh trước Rad

ωk Vận tốc góc bánh sao chủ động Rad/s

δ Độ trượt của dải xích so với nền đất %

θf Góc tiếp xúc của bánh dẫn hướng Rad

θr Góc tiếp xúc của bánh chủ động Rad

θt0 Góc nghiêng của xe Rad

a Hệ số biến dạng cắt phụ thuộc loại đất tương tác với xích 1/cm2

c0 Hệ số lún trượt phụ thuộc loại đất tương tác với xích cm2c1-c2+1/Nc1

c1 Hệ số mũ lún trượt phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

c2 Hệ số mũ lún trượt phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

CI Chỉ số nón

e Độ lệch của tọa độ trọng tâm xe m

e0 Độ lệch tâm tương đối của phản lực đất Z m

E1 Năng lượng do lực P1 gây ra kNm/s

E2 Năng lượng do lực Pf gây ra kNm/s

E3 Năng lượng do lực Pk gây ra kNm/s

E4 Năng lượng do lực Pm gây ra kNm/s

F Lực kéo kN

Fca Lực bám dính của đất kN

Fd Lực kéo ở móc kéo kN

Fmax Lực kéo cực đại kN

Fp Phản lực của đất kN

vii

G Trọng lượng xe (Tải trọng pháp) kN

h Chiều cao vấu xích m

hg Chiều cao tọa độ trọng tâm xe m

j Khoảng trượt của mấu xích m

K Mô đun biến dạng cắt

k1 Hệ số lún 1 phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

k2 Hệ số lún 2 phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

Kpc, Kpq Hệ số hàm góc ma sát trong của đất

Kr Tỷ lệ của ứng suất tiếp dư τr

trên ứng suất tiếp tối đa τmax

Kω Khoảng trượt ở ứng suất tiếp đạt cực đại τmax

mc

Hệ số kết dính phụ thuộc loại đất tương tác với xích kPa

mf

Hệ số ma sát phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

MI Chỉ số di động

Mk Mô men xoắn tác động lên bánh sao chủ động kNm

MMP Áp suất tối đa trung bình kPa

n1 Hệ số mũ 1 lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

n2 Hệ số mũ 2 lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích -

Nc

hệ số khả năng chịu lực Terzaghi c

Nq hệ số khả năng chịu lực Terzaghi q

Nγ

hệ số khả năng chịu lực Terzaghi γ

p Áp suất tiếp xúc dưới dải xích kPa

P1 Lực chủ động tác động lên phần dưới của dải xích. kN

pf

Áp suất tiếp xúc dẫn hướng, kPa

Pf

Lực cản nén tác động theo chiều ngang tại độ sâu z phần

trước của xích

kN

pf0 Áp suất tiếp xúc tĩnh dưới điểm trước tiên của phần chính dải xích kPa

Pfb Lực thành phần của lực đẩy Pk tác dụng lên đỉnh mấu phần bánh

dẫn hướng

kN

Pk Tổng lực đẩy tác dụng vào dải xích chưa biến dạng kN

viii

pm Áp suất tiếp xúc trung bình dưới dải xích kPa

Pm Lực chủ động có ích tác động theo chiều ngang qua điểm

đặt lực ở móc kéo

kN

Pmb Lực thành phần của Pk tác dụng lên đỉnh mấu phần chính dải xích kN

Pms Lực thành phần của Pk tác dụng cạnh mấu phần chính dải xích kN

pr

Áp suất bánh xích sau kPa

pr0 Áp suất tiếp xúc tĩnh dưới điểm sau cùng của phần chính dải xích kPa

Prb Lực thành phần của Pk tác dụng lên đỉnh mấu phần bánh sau kN

Prs Lực thành phần của Pk tác dụng lên cạnh máu phần bánh dẫn hướng kN

Ps

Tác dụng theo chiều dọc theo hàng của bánh đè kN

Psf Lực thành phần của Pk tác dụng lên cạnh mấu phần bánh sau kN

Rc Lực cản đất kN

RCI Chỉ số nón danh nghĩa

Rf

Bán kính bánh dẫn hướng m

RI Chỉ số nén lại

Rk, Bán kính chia của bánh sao chủ động m

Rr

Bán kính bánh sau m

s0 Độ lún tĩnh của dải xích m

s0(X) Độ lún tĩnh tại điểm khảo sát X m

sf0 Lượng lún tĩnh điểm đầu của dải xích tiếp xúc với đất m

sr0 Lượng lún tĩnh điểm sau của dải xích tiếp xúc với đất m

ss Độ lún trượt của dải xích m

t Bước vấu xích m

T Lực căng xích kN

T0 Lực căng xích ban đầu kN

V Vận tốc thực của xe m/s

V’ Vận tốc lý thuyết m/s

Vs

Vận tốc trượt của xe m/s

W’ct Lực phá hỏng do cắt cục bộ của dải xích kN

ix

Wc

Tải giới hạn theo đơn vị chiều dài N/m

Wc’ Tải giới hạn cục bộ theo đơn vị chiều dài khi phá hoại cục bộ N/m

Wct Lực phá hoại cắt tổng đối với một xe xích kN

ws

Trọng lượng theo chiều dài của đất N/m

Z Phản lực pháp tuyến của đất kN

z0 Chiều sâu lún m

Zp Thành phần lực tác dụng vuông góc với hàng của bánh đè kN

x

DANH MỤC BẢNG

TT Tên bảng Trang

3.1 Thông số kỹ thuật máy kéo xích cao su B2010 84

4.1 Kết quả thí nghiệm lún tĩnh s0<=h 102

4.2 Kết quả thí nghiệm lún tĩnh s0>h 102

4.3 Kết quả thí nghiệm đo lực kéo Pk và chiều dài trượt của mấu xích

tương ứng j khi G= 10507 N 103

4.4 Kết quả thí nghiệm đo lực kéo Pk và chiều dài trượt của mấu xích

tương ứng j khi G = 13000 N 103

4.5 Kết quả thí nghiệm đo độ lún trượt ss

103

xi

DANH MỤC HÌNH

TT Tên hình Trang

1.1 a) Thiết bị đo độ chặt của đất , b) Đặc tính nén của đất 8

1.2 a) Sơ đồ thí nghiệm cắt đất trong hộp kín khi chưa tác động lực

kéo, b) Khi tác động lực kéo, c) Đặc tính cắt đất , 1− đối với đất

chặt; 2− đối với đất xốp 10

1.3 a) Sự phụ thuộc ứng suất tiếp vào biến dạng 1− đất chặt; 2− đất dẻo,

b) Sự phụ thuộc ứng suất tiếp giới hạn τδ vào ứng suất pháp σ 10

1.4 Xích cao su khớp nối bản lề 12

1.5 Cấu tạo xích cao su dạng dai 13

1.6 Trạng thái của một vật liệu đàn hồi dẻo lý tưởng 15

1.7 a) Phân bố ứng suất thẳng đứng trong một môi trường đàn hồi bán

vô hạn dưới mặt tựa của xích, b) ứng suất tại một điểm trong môi

trường đàn hồi nửa vô tận chịu tải dải đều 15

1.8 Tiêu chuẩn phá hỏng Mohr-Coulomb. 17

1.9 Tấm cắt hình chữ nhật và hình khuyên đo các thông số bền cắt của đất 17

1.10 Phá hỏng chủ động và bị động của đất 18

1.11 Quan hệ tải - lún của một móng dưới điều kiện đất khác nhau 19

1.12 a) Sự phá hỏng mẫu dưới một tải dải, (b) các lực tác động vào móng 20

1.13 Biến đổi của hệ số khả năng chịu lực Terzaghi với ma sát trong của đất 21

1.14 Một mô hình đơn giản để dự đoán xe xích 24

1.15 Sơ đồ thiết bị đo tính chất đất 25

1.16 quan hệ áp suất-độ lún cho các loại đất khác nhau đồng nhất 26

1.17 Phản ứng với tải vuông góc lặp lại của đất hữu cơ (lầy) 27

1.18 Hoạt động cắt của xích và bánh xe vành cứng có mấu bám 27

1.19 Mối quan hệ ứng suất tiếp- biến dạng cắt: Dụng cụ cắt là xích cứng

kích thước 13,2 x 71,1 cm trong đất cát 28

1.20 Đường cong cắt dạng hàm số mũ đơn giản 28

1.21 Đường cong cắt có một điểm cực đại và sự giảm ứng suất tiếp dư 29

xii

1.22 Đường cong cắt có một đỉnh và ứng suất tiếp dư không đổi 30

1.23 So sánh đo hiệu suất lực kéo móc kéo của xe xích M113 và dự báo

dùng phương pháp hỗ trợ máy tính trên đất hữu cơ (lầy) 32

2.1 Mô hình tính lực chủ động và độ trượt tại điểm bất kỳ của dải xich

cứng tiếp xúc với đất 42

2.2 Hình của một hệ thống xích mềm khi tiếp xúc với đất biến dạng 45

2.3 Vận tốc trượt của một điểm trên một xích mềm trong vùng tiếp xúc

với xích biến dạng 46

2.4 Quan hệ giữa cản cắt và biến dạng cắt, (a) Loại hàm số mũ (Loại A),

(b) Loại dốc gù (loại B) 53

2.5 Sơ đồ thí nghiệm kéo tấm xích mẫu 54

2.6 Hình vẽ mô tả quá trình xảy ra lún trượt ss

55

2.7 Sơ đồ cấu tạo của xuyên nón kế 56

2.8 Thí nghiệm kéo xích xe bị khóa với thân xe 57

2.9 Sơ đồ thí nghiệm máy kéo trên đồng 61

2.10 Sơ đồ kết nối các thiết bị đo với bộ gom và máy tính 62

2.11 Sơ đồ khối đọc số liệu từ các tệp số liệu thí nghiệm trên Dasylab 62

3.1 Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo 68

3.2 a) Ứng suất chống nén và chống cắt của đất, b) biểu đồ biến dạng

cắt của đất 69

3.3 Phân bố áp suất p0(X) và độ lún s0(X) của trường hợp sr0 ≥ sf0 ≥ h 70

3.4 Trượt trong chế độ chủ động của xe xích 72

3.5 Xác định lực cản do nén đất 75

3.6 Lực tác dụng lên xích cao su 78

3.7 Sơ đồ tính hiệu suất kéo của xe xích mềm (ở chế độ chủ động) 82

3.8 Sự thay đổi: a) độ lún của đất s0i, b) áp suất tiếp xúc pi

theo chiều

dài nhánh xích tiếp đất 85

3.9 Ảnh hưởng của độ trượt đến: a) các thành phần lực, b) các thành

phần công suất 86

3.10 Ảnh hưởng của độ trượt đến hiệu suất kéo ηk 87

xiii

3.11 a) Lực căng xích T theo chiều dài tiếp xúc X, b) Lực căng xích T

tại điểm C theo độ trượt δ% 88

3.12 a) Diễn biến độ lún s0i , b) biến thiên áp suất tiếp xúc pi

tương ứng

ba mức trọng lượng xe G 90

3.13 a) Các đường biểu diễn lực đẩy Pk, và lực kéo có ích Pm, b) Các

đường biểu diễn công suất E tương ứng ba mức trọng lượng xe G 91

3.14 Các đường biểu diễn hiệu suất ηk tương ứng ba mức trọng lượng xe G 92

3.15 a) Các đường biểu diễn độ lún s0i , b) Các đường biểu diễn áp suất

tiếp xúc pi

tương ứng ba trường hợp cấu tạo xích khác nhau 93

3.16 a) Các đường biểu diễn lực đẩy Pk và lực kéo có ích Pm, b) các

đường biểu diễn công suất E tương ứng ba trường hợp cấu tạo xích

khác nhau 94

3.17 Các đường biểu diễn hiệu suất ηk tương ứng ba trường hợp cấu tạo

xích khác nhau 94

3.18 a) Các đường biểu diễn độ lún s0i, b) các đường biểu diễn áp suất tiếp

xúc pi

tương ứng ba trường hợp lực căng xích ban đầu T0 khác nhau 95

3.19 Các đường biểu diễn lực đẩy Pk, và lực kéo có ích Pm tương ứng ba

trường hợp lực căng xích ban đầu T0 khác nhau 96

3.20 a) Các đường biểu diễn công suất E1, E2, E3, E4, b) hiệu suất ηk

tương ứng ba trường hợp lực căng xích ban đầu T0 khác nhau 97

3.21 Các đường biểu diễn: a) độ lún soi, b) áp suất tiếp xúc pi

tương ứng

ba trường hợp khoảng cách bánh đè xích lền kề lp khác nhau 98

3.22 Các đường biểu diễn lực đẩy Pk, và lực kéo có ích Pm tương ứng ba

trường hợp khoảng cách bánh đè xích lp khác nhau 99

3.23 a) Các đường biểu diễn công suất E1, E2, E3, E4, b) hiệu suấtηk

tương ứng ba trường khoảng cách giữa hai bánh đè xích liền kề lp

khác nhau 99

4.1 Sơ đồ đo lực kéo Pk khi xích của xe bị khóa và chiều dài trượt của

mấu xích tương ứng j 102

4.2 Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm lún khí s<=3 cm 105