Tài liệu Nghiên cứu tính năng kéo bám của máy kéo xích vạn năng t – 54

1 MỞ ĐẦU Nước ta là nước nông nghiệp, để thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hóa đất nước cần từng bước cơ giới hoá và hiện đại hoá nền sản xuất nông nghiệp và nông thôn. Những năm vừa qua, việc tăng cường trang bị các nguồn động lực và hệ thống máy móc nông lâm nghiệp khác nhau đã góp phần đáng kể vào sự phát triển chung của nền sản xuất nông lâm nghiệp và nông thôn Việt Nam, giảm bớt cường độ lao động cho nông dân, nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm của ngành nông lâm nghiệp và các ngành nghề khác. Do đặc điểm về mặt kinh tế xã hội cũng như khó khăn về mặt đặc điểm địa lý đất đai, vấn đề cơ giới hoá trong các vùng trung du miền núi của nước ta còn ở mức thấp. Tỷ lệ cơ giới hoá các khâu canh tác trong nông lâm nghiệp ở các khu vực này so với vùng đồng bằng còn một khoảng cách chênh lệch lớn. Việc nghiên cứu một cách có hệ thống và tổng quát điều kiện tự nhiên, các yếu tố ảnh hưởng đến vấn đề cơ giới hoá nông lâm nghiệp nói chung, đặc biệt là cơ giới hoá trên đất độ ẩm cao và đất đồi dốc trong điều kiện của nước ta hiện nay vẫn chưa được chú ý và quan tâm đúng mức. Nguồn động lực chính trong việc cơ giới hóa các khâu sản xuất trong nông lâm nghiệp của Việt Nam là máy kéo. Máy kéo được trang bị ở nước ta chủ yếu được nhập từ nước ngoài. Ngành công nghiệp chế tạo máy kéo của nước ta còn rất non trẻ. Thực tế đòi hỏi cần được đầu tư hơn nữa về mặt nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các mẫu máy kéo do ngành công nghiệp chế tạo máy kéo trong nước hoặc nhập ngoại các mẫu máy kéo phù hợp với điều kiện sử dụng trong điều kiện sản xuất nông lâm nghiệp Việt Nam. Hiện nay chúng ta mới chế tạo được một số loại máy kéo bánh công suất nhỏ như: Bông sen 8, Bông sen 10, Bông sen 12 và Bông sen 20, các máy do Việt Nam sản xuất còn nhiều nhược điểm như tính năng kéo bám thấp, tính ổn định chuyển động không cao, tính kinh tế về nhiên liệu cũng như các thông số kết cấu khác chưa 2 hợp lý, đặc biệt khi sử dụng trong điều kiện đất nông nghiệp có độ ẩm cao hoặc đất đồi dốc nông lâm nghiệp. Để nâng cao mức độ cơ giới hóa nông lâm nghiệp Việt Nam trong giai đoạn trước mắt, cần trang bị hệ thống máy động lực một cách hợp lý về chủng loại, về cỡ công suất cũng như tỷ lệ trang bị giữa máy kéo bánh và máy kéo xích. Theo một số tài liệu chuyên môn máy kéo xích có nhiều ưu điểm vượt trội so với máy kéo bánh, đặc biệt về tính ổn định ngang và dọc khi làm việc trên đất đồi dốc, diện tích tiếp xúc của xích với đất lớn hơn nhiều so với máy kéo bánh vì vậy áp lực riêng trên đất nhỏ, khả năng bám hay hệ số bám của máy kéo xích lớn. Những đặc điểm này làm cho máy kéo xích phát huy lực kéo lớn với độ trượt nhỏ, máy kéo có thể làm việc trên đất độ ẩm cao, độ dốc lớn hơn so với máy kéo bánh có công suất tương đương song vẫn bảo đảm không bị trượt, bị lật và an toàn lao động. Hiện nay nước ta vẫn chưa chế tạo được một mẫu máy kéo xích nào, các máy kéo xích dùng trong nông lâm nghiệp, trong công nghiệp chủ yếu được nhập từ nước ngoài. Vì vậy nghiên cứu tính năng kéo bám của máy kéo xích vạn năng làm cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế chế tạo máy kéo xích phục vụ sản xuất nông lâm nghiệp của Việt Nam là một đề có tính cấp thiết và mang ý nghĩa thực tiễn cao. Tôi tiến hành thực hiện đề tài : “Nghiên cứu tính năng kéo bám của máy kéo xích vạn năng T – 54 ”. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu tính năng kéo bám của máy kéo xích T-54 nhằm góp phần làm tỏ các mối quan hệ giữa các yếu tố kết cấu, các tính chất cơ lý của đất với các chỉ tiêu kéo bám của máy kéo xích. Từ đó áp dụng cho nghiên cứu tính năng kéo của một số loại máy kéo khác. Qua đó góp một phần nhỏ vào việc tìm hiểu và khai thác có hiệu quả hơn những tính năng sử dụng của máy kéo xích trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. 3 Nhiệm vụ của đề tài: - Lựa chọn mô hình nghiên cứu lý thuyết về tính chất kéo bám của máy kéo xích. - Xây dựng thuật giải và chương trình vi tính để khảo sát một số tính chất kéo bám của máy kéo xích. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Đối tượng nghiên cứu là hệ thống di động xích trong tương tác với môi trường là đất nông nghiệp. - Phạm vi nghiên cứu bao gồm một loạt vấn đề liên quan đến mô hình vật lý, mô hình nghiên cứu thực nghiệm. Vì vậy đề tài sẽ đề cập và ứng dụng một loạt các môn khoa học liên quan như: động lực học ô tô máy kéo, cơ học vật rắn, vật lý, toán giải tích, các môn khoa học liên quan khác như tin học, kỹ thuật đo và sử lý số liệu và hàng loạt các vấn đề liên quan khác. 4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về máy kéo xích Máy kéo cũng là các xe tự hành bằng bánh lốp hoặc bằng dải xích, máy kéo có thể chuyển động trên đường và có thể làm việc cả ở những nơi không có đường xá hay trên đồng ruộng. Máy kéo được dùng làm nguồn động lực cho các máy công tác đi theo chúng để hoàn thành các công việc trong nông lâm nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, xây dựng v.v… Trong nông nghiệp máy kéo được sử dụng để thực hiện nhiều dạng công việc khác nhau như cày, bừa, gieo trồng, chăm sóc cây trồng, thu hoạch, vận chuyển v.v…Ngoài ra máy kéo cũng có thể làm nguồn động lực cho các máy tĩnh tại như bơm nước, tuốt lúa, nghiền trộn thức ăn giá súc. Trong lâm nghiệp, máy kéo được sử dụng để thực hiện các công việc như làm đất trồng rừng, khai thác gỗ, nhổ rễ cây, vận chuyển gỗ... Trong giao thông vận tải, máy kéo được dùng để vận chuyển hàng hóa trên các đường xấu hoặc không có đường giao thông. Đặc điểm chung của loại này là giảm được áp lực riêng trên đất và có khả năng bám tốt, tuy nhiên kết cấu hệ thống di động phức tạp, giá thành cao. Máy kéo xích thường được sử dụng để hoàn thành các công việc cần lực kéo lớn như san ủi, cày bừa trên đất độ ẩm cao, nhổ và ủi gốc cây v.v… Các loại này dùng để kéo hàng nặng trên nền đất hoặc đường tạm thời. Chúng còn dùng như một đầu kéo rơmooc hay là máy cơ sở của các máy xây dựng (máy ủi, máy đào, cần trục…). Máy kéo xích có áp lực riêng lên đất nhỏ, hiệu suất kéo và lực bám cao nên có khả năng thông qua lớn hơn bánh lốp. Tốc độ di chuyển của chúng không quá 12 km/h, áp lực lên đất của máy kéo xích là 0.1 MPa. Thông số của máy kéo chủ yếu của máy kéo là lực kéo tại móc kéo, và 5 cũng dựa vào đó mà phân loại máy kéo thành từng nhóm. Lực kéo của móc kéo được xác định ở tốc độ 2,6 – 3 km/h đối với máy kéo bánh lốp. Lực kéo của máy kéo xích gần bằng trọng lượng của nó. Các loại máy kéo công nghiệp thường phân thành nhóm có sức kéo 100; 150; 200; 350; 500 kN. Các loại máy kéo công nghiệp có các loại khác nhau để có thể làm máy cơ sở cho xe nâng hàng, máy ủi, máy xới… Công suất động cơ của chúng tới 800 kW hoặc hơn. Các bộ phận và hệ thống chính của máy kéo gồm: động cơ, hệ thống truyền lực, truyền lực cacđăng, cầu chủ động, hệ thống di động, hệ thống treo (hay còn gọi là hệ thống giảm xóc), hệ thống điều khiển gồm hệ thống lái và hệ thống phanh, trang bị điện và các trang bị làm việc khác. Hệ thống truyền lực là tổ hợp của một loạt các cơ cấu và hệ thống nhằm truyền mômen quay từ trục khuỷu động cơ đến bánh chủ động của ôtô, máy kéo. Hệ thống truyền lực có tác dụng nhằm biến đổi về trị số và chiều của mômen quay truyền, cho phép máy kéo dừng tại chỗ lâu dài mà động cơ vẫn làm việc, hệ thống truyền lực còn có thể trích một phần công suất của động cơ để truyền đến bộ phận làm việc của máy công tác. Phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của xe máy cụ thể mà trong hệ thống truyền lực của máy kéo có thể có một hai hay nhiều cầu chủ động. Cầu chủ động là tổ hợp của các cụm máy và cơ cấu cho phép các bánh chủ động quay với tốc độ khác nhau để bảo đảm các bánh lăn êm dịu trên mặt đường không bằng phẳng hay khi đi vào đường vòng, nó còn làm tăng tỷ số truyền chung cho hệ thống truyền lực và liên kết bánh xe với khung máy. Truyền lực cacđăng dùng để truyền mômen từ hộp số hay hộp phân phối đến các cầu chủ động của ôtô máy kéo, hoặc từ truyền lực chính đến các bánh xe chủ động trên cùng một cầu khi các bánh xe treo độc lập với nhau. Truyền lực cacđăng cho phép các trục của các bộ phận máy được truyền động không nằm trong cùng một mặt phẳng và có thể dịch chuyển tương đối với 6 nhau trong một giới hạn nhất định. Hệ thống truyền lực của máy kéo có sự khác nhau đáng kể so với hệ thống truyền lực của ôtô. Các loại máy kéo bánh lốp hay bánh xích, thường không có bộ vi sai, còn khi quay vòng sẽ hãm một trong các dải xích. Hệ thống truyền lực của máy kéo có thể là cơ khí, cơ-thuỷ lực và điện. Hệ thống truyền lực cơ khí của máy kéo xích gồm: ly hợp ma sát, hộp số, trục cácđăng, truyền lực chính, ly hợp bên hay còn gọi là ly hợp chuyển hướng với phanh đai, trưyền lực cuối cùng với bánh chủ động. Trên giá xích ở phía trước là bánh xe chuyển hướng với cơ cấu căng xích. Truyền động cuối cùng làm tăng mô men quay cho các bánh chủ động. Ly hợp chuyển hướng là một khớp nối ma sát nhiều đĩa luôn đóng. Nếu bộ ly hợp chuyển hướng của một bên được mở, bên kia quay thì động cơ tới sẽ được trưyền cho bán trục của phía có ly hợp đóng. Bánh xích chủ động của bên ly hợp đóng sẽ quay. Kết quả là máy kéo sẽ quay vòng về phía ly hợp mở. Thường tại mỗi bộ ly hợp chuyển hướng có trang bị hệ thống phanh để hãm khi cần thiết. Do đó nếu vừa mở ly hợp lại vừa phanh bán trục của bên ly hợp mở thì toàn bộ mômen quay sẽ truyền cho bán trục bên kia. Kết quả là máy kéo có thể quay vòng tại chỗ. Khi đẩy núm của cần điều khiển về bên trái, đĩa ép bị kéo về bên phải, các đĩa chủ động và bị động tách nhau ra, ly hợp được mở. Trục bị động của ly hợp tách khỏi truyền lực chính. Tuyền lực cuối cùng và bánh xích chủ động bên phía ly hợp mở không nhận được mômen quay nữa. Trả cần điều khiển về vị trí ban đầu, ly hợp được đóng . Truyền lực chính và bánh xích chủ động lại nhận được mômen quay. Ở bộ truyền cơ khí của máy kéo bánh lốp động cơ đặt ở phía trước rồi đến ly hợp, trục các đăng, hộp số, truyền lực chính, ly hợp bên với phanh đai, truyền lực bên làm quay các bánh lốp. Ở bộ truyền lực máy kéo xích, đầu kéo một trục và hai trục, satxi chuyên dụng cho xe nâng hàng. Ở các bộ truyền này khớp nối ma sát được 7 thay bằng biến tốc thuỷ lực. Như vậy mối liên kết động học cứng giữa động cơ và các bánh chủ động được thay bằng mối liên kết chất lỏng. Hệ truyền thủy lực này là hệ thống thuỷ cơ. Khi lực cản di chuyển lớn thì việc dùng biến tốc thủy lực sẽ làm tăng mômen quay của động cơ nhờ hệ số biến đổi lớn. Quá trình làm việc của biến tốc thuỷ lực chuyển sang chế độ làm việc với hiệu suất cao hơn hẳn. Khi ấy quá trình sang số được thực hiện một cách tự động, tức là số cao chỉ được thực hiện khi trục thứ đạt được số vòng quay nhất định. Lúc này động cơ làm việc ở công suất tối đa, còn việc sang số được thực hiện liên tục mà không cần ngắt mô men quay. Nhờ vậy mà giảm tải trọng động lên động cơ, có nghĩa là làm tăng tuổi thọ của động cơ và bộ truyền lực. Với máy kéo có bộ truyền lực điện thì mô men quay được truyền từ động cơ điện một chiều tới bánh xích chủ động qua bộ ly hợp bên và bộ truyền lực cuối cùng. Động cơ điện do động cơ máy kéo làm quay máy phát điện cung cấp điện năng. Hệ thống dẫn động gồm động cơ điêzen - máy phát động cơ điện làm cho sơ đồ động của hệ truyền lực đơn giản hơn (không có hộp số và hộp cacđăng), đặc biệt là cho phép thay đổi tốc độ và mômen quay một cách vô cấp tuỳ theo lực cản bên ngoài. Các bộ truyền lực kiểu thuỷ cơ và truyền động điện hoàn toàn đáp ứng chế độ làm việc của máy kéo có rơmooc và các cơ cấu làm việc của máy xây dựng. Bố trí hệ thống truyền lực trên máy kéo Ở máy kéo, do người lái thường ngồi phía sau để quan sát sự làm việc của các máy công tác đi theo máy kéo, nên khớp nối 2 thường được bố trí giữa ly hợp 1 và hộp số 3, bố trí như vậy sẽ giúp cho hộp số máy kéo được đặt ngay phía dưới buồng lái, nhờ đó cấu tạo cơ cấu điều khiển hộp số đơn giản và thuận tiện khi điều khiển. Ngoài ra vì máy kéo cần lực kéo lớn, nên trong hệ thống truyền lực thường có truyền lực cuối cùng 6 để làm tăng tỷ số truyền chung cho hệ thống truyền lực. 8 Hình1.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực máy kéo xích 1- Ly hợp; 2- Khớp nối; 3- Hộp số; 4- Truyền lực chính; 6-Truyền lực cuối cùng; 7- Bán trục; 8 - Cầu sau; 9- Hộp phân phối; 10- Truyền lực cacđăng; 13-Bộ truyền bánh răng nón; 14- Bộ phận chuyển hướng; 15 - Bánh sao chủ động; 16- Dải xích Trên hình 1.1 trình bày sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực của máy kéo xích kiểu một dòng công suất, khác với truyền lực của máy kéo bánh, ở máy kéo xích, sau truyền lực trung tâm 4 là đến hai bộ phận chuyển hướng 14 của máy kéo xích, từ trục bị động của bộ phận chuyển hướng, mômen được truyền đến truyền lực cuối cùng 6 rồi đến bánh sao chủ động 15, bánh sao chủ động ăn khớp với mắt xích của dải xích và đẩy cho máy kéo dịch chuyển trên đường ray vô tận do dải xích tạo nên. Hiện nay trên một số máy kéo xích có công suất lớn dùng trong công nghiệp và các xe chuyên dụng, hệ thống truyền lực của chúng thường dùng kiểu hai dòng công suất truyền từ động cơ đến hai bánh sao chủ động của hai dải xích riêng biệt. Với sơ đồ hệ thống truyền lực hai dòng công suất như vậy, sẽ làm cho truyền lực chính cũng như các chi tiết trong hộp số có kích thước nhỏ gọn hơn vì chịu tải trọng thấp hơn. Điểm đặc biệt ở hệ thống truyền lực hai dòng công suất là trong hộp số của máy kéo có hai trục thứ cấp, mỗi trục thứ cấp truyền mômen cho một truyền lực chính riêng ở cầu chủ động và cho một bánh sao chủ động của một bên dải xích. 9 1.2 Tổng quan về các chỉ tiêu đánh giá tính chất kéo bám Tính năng kéo là một trong những tính năng sử dụng quan trọng biểu thị khả năng thực hiện cấc công việc kéo ở các điều kiện sử dụng khác nhau. Tính năg này phụ thuộc chủ yếu vào khả năng bám của hệ thống di động, công suất của động cơ, số truyền và sự phân bố tỉ số truyền, lực cản lăn của máy. Khả năng bám và lực cản lăn của máy kéo phụ thuộc vào loại, kết cấu của hệ thống di động, sự phân bố trọng lượng trên các bánh xe, tính chất đất đai và độ dốc mặt đường. Các chỉ tiêu đánh giá tính năng kéo bám bao gồm độ trượt, tốc độ chuyển động, công suất kéo, chi phí nhiên liệu giờ, chi phí nhiên liệu riêng, hiệu suất kéo, lực cản lăn khi làm việc ở các số truyền khác nhau. Hệ số bám và lực bám cũng là chỉ tiêu đánh giá tính năng kéo nhưng không phụ thuộc vào số truyền làm việc. Để đánh giá tính năng kéo thường sử dụng đường đặc tính kéo, đó là mối quan hệ giữa các chỉ tiêu kéo với lực kéo khi làm việc với các số truyền khác nhau, trong các điều kiện đất đai khác nhau. Tính năng động lực học của máy kéo khi thực hiện các công việc trên đồng ruộng hoặc các công việc xây dựng sẽ được đặc trưng bởi khả năng khắc phục hiện tượng quá tải, khả năng rời chỗ và tăng tốc với tải trọng kéo lớn. Khi vận chuyển tính năng động lực học của máy kéo được đặc trưng bởi tốc độ chuyển động cực đại, gia tốc và độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt được. Tính năng kéo và tính năng động lực học ảnh hưởng rất lớn đến năng suất của liên hợp máy kéo. Do vậy việc nghiên cứu và tìm hiểu các tính năng này là một trong những nhiệm vụ cơ bản của môn động lực học chuyển động của máy kéo. 10 Khi nghiên cứu các chỉ tiêu kéo của máy kéo cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo của hệ thống di động, sự phân bố trọng lượng trên các cầu, các tính chất cơ lý của đất, sự phù hợp công suất của động cơ, sự phân bố tỉ số truyền với khả năng bám của hệ thống di động. Khi máy kéo làm việc ở độ dốc, còn phải nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ dốc đến các chỉ tiêu đó. 1.3 Các tính chất cơ lý của đất Các máy kéo chủ yếu làm việc trên đồng ruộng hoặc chuyển động trên các loại đường đất. Việc nghiên cứu các quá trình tác động tương hỗ giữa bộ phận di động của máy (bánh xe hoặc dải xích) và đất là cần thiết và quan trọng. Để nắm được vấn đề này trước hết cần nắm được các tính chất cơ lý của đất. Đất là một môi trường phức tạp - phân tán rời rạc, không đồng nhất và được cấu tạo bởi ba pha: pha cứng (các hạt cứng), pha lỏng (nước) và pha khí (không khí và hơi). Các tính chất cơ lý của đất sẽ thay đổi tùy thuộc vào tính chất và thành phần của các pha chứa trong đất. Việc nghiên cứu các tính chất cơ lý của đất đã được trình bày kỹ trong môn cơ học đất. Ở đây chỉ xem xét những tính chất cơ bản có ảnh hưởng lớn đến khả năng kéo bám của máy kéo. Những tính chất vật lý có ảnh hưởng lớn đến tính năng kéo bám của máy kéo là thành phần cấu trúc, độ ẩm và độ chặt. Thành phần cấu trúc của đất (còn gọi là thành phần hạt) được đánh giá bởi kích thước hàm lượng của các hạt cứng (cốt liệu) trong khối đất. Theo thành phần cấu trúc các loại đất được chia thành hai nhóm chính: nhóm đất sét và nhóm đất cát. Nhóm đất sét được cấu tạo chủ yếu bởi các hạt sét, còn nhóm đất cát chủ yếu là do các hạt cát cấu thành nên. Tuỳ theo hàm lượng của các thành phần các nhóm này còn được phân loại ra một số loại cụ thể. 11 Độ ẩm của đất biểu thị lượng nước chứa trong khối đất và được đánh giá bởi tỷ số giữa trọng lượng của phần nước chứa trong khối đất và trọng lượng toàn phần của khối đất đó khi ở trạng thái tự nhiên. Khi độ ẩm thay đổi thì trạng thái và các tính chất cơ học của đất cũng thay đổi theo. Ví dụ tùy thuộc vào độ ẩm trạng thái của đất sét có thể là cứng, dẻo hoặc ở thể lỏng. Độ chặt (còn gọi là độ cứng) là lực cản riêng của đất trên mỗi đơn vị diện tích đầu đo (máy đo độ chặt) khi ấn đầu đo đó vào trong đất từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng. Độ chặt và độ ẩm của đất có ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ học của nó. Khi khảo nghiệm máy kéo trên đồng ruộng thường phải xác định hai thông số này ở các độ sâu khác nhau tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Các tính chất cơ học của đất Khi quan sát sự tác động tương hỗ giữa bộ phận di động của máy và đất người ta thấy thường xuất hiện các hiện tượng sau đây: − Sự phá vỡ hoàn toàn cấu trúc của đất ở những vùng có ứng suất lớn hơn khả năng tiếp nhận ngoại lực của đất. − Xuất hiện lực ma sát giữa bộ phận di động và đất, giữa các phần tử đất (ma sát nội tại) do chúng bị trượt tương đối với nhau. − Đất bị nén lại và các phần tử đất dịch chuyển theo nhiều hướng khác nhau. Do đó xuất hiện các ứng suất ở trong đất, trước tiên xuất hiện ở vùng tiếp xúc trực tiếp với bộ phận di động và sau đó sẽ được lan truyền vào bên trong theo nhiều hướng khác nhau. Độ lớn và sự phân bố các ứng suất phụ thuộc vào tính chất tác động của tải trọng, loại và trạng thái vật lý của đất. Để tiện cho việc nghiên cứu người ta phân tích sự biến dạng của đất theo hai phương: phương pháp tuyến (vuông góc với mặt đất) và phương tiếp tuyến (song song với mặt đất). Các ứng suất cũng được phân tích thành 12 hai thành phần tương ứng với hai phương đó: ứng suất pháp tuyến (ứng suất nén) và ứng suất tiếp tuyến (ứng suất cắt). Độ sâu của vết bánh xe sẽ phụ thuộc vào ứng suất nén, còn tính chất kéo bám của bộ phận di động sẽ phụ thuộc vào ứng suất cắt. Do đó sức chống nén và chống cắt là hai tính chất cơ học cơ bản có ảnh hưởng lớn đến tính năng kéo bám của máy kéo. Sức chống nén của đất được đặc trưng bởi ứng suất pháp tuyến .Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ định lượng giữa ứng suất pháp tuyến σ và độ biến dạng h của đất có tính chất phi tuyến. Đường cong biểu diễn mối quan hệ đó có dạng như hình 1.2. Đồ thị này còn có tên gọi là đặc tính nén của đất hoặc đường cong nén đất. Hình 1.2 Quan hệ giữa ứng suất pháp s và độ biến dạng h Đặc tính nén của đất có thể chia thành 3 phần tương ứng với ba giai đoạn của quá trình nén đất. Trong giai đoạn thứ nhất chỉ xảy ra sự nén chặt làm cho các phần tử đất xích lại gần nhau, quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng là tuyến tính. Trong giai đoạn thứ hai sự nén chặt đất vẫn tiếp tục xảy ra nhưng đồng thời xuất hiện cục bộ hiện tượng cắt đất ở một số vùng bao quanh khối đất. Khi đó ứng suất lớn hơn lực nội ma sát và lực dính giữa các hạt đất, do đó biến dạng sẽ tăng nhanh hơn so với sự tăng ứng suất và quan hệ giữa chúng là phi tuyến. Cuối giai đoạn hai ứng suất trên toàn 13 bộ vùng bao quanh khối đất lớn hơn nội lực ma sát và lực dính giữa các phần tử đất, quá trình nén chặt đất kết thúc và bắt đầu xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn giữa khối đất và vùng đất bao quanh nó và ứng suất pháp tuyến đạt giá trị cực đại. Trong giai đoạn thứ ba chỉ xảy ra hiện tượng truợt của khối đất, ứng suất không tăng nhưng biến dạng vẫn tiếp tục tăng. Ở một số loại đất trong giai đoạn này ứng suất còn giảm xuống chút ít. Sự xuất hiện ứng suất pháp tuyến trong đất là do tác động của ngoại lực (lực nén). Khi tăng lực nén sẽ làm tăng ứng suất cho đến khi đạt đến ứng suất cực đại, sau đó dù có tăng lực nén ứng suất không tăng nữa. Do đó ứng suất cực đại σmax sẽ đặc trưng cho khả năng chống nén của đất. Trị số của smax phụ thuộc loại đất và các tính chất vật lý của nó, đặc biệt là độ ẩm. Sự biến dạng của đất theo phương pháp tuyến liên quan đến độ sâu của vết bánh xe và do đó ảnh hưởng đến lực cản lăn của máy kéo. Vì vậy đường đặc tính nén đất được sử dụng như một cơ sở khoa học để tính toán thiết kế hệ thống di động của máy kéo. Để tiện sử dụng đặc tính này người ta thường biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất pháp tuyến và độ biến dạng bằng các công thức hồi quy thực nghiệm. Tùy theo mục đích nghiên cứu và quan điểm của các tác giả và tùy thuộc cả loại đất, mối quan hệ đó có thể được biểu diễn theo các công thức thực nghiệm khác nhau. Một trong các công thức hay được sử dụng có dạng: σ = k.h n Trong đó: (1.1) k là hệ số thực nghiệm; h - độ biến dạng; n - chỉ số mũ. Trị số của k và n phụ thuộc vào loại đất, trạng thái vật lý của nó và được xác định bằng thực nghiệm. Sức chống cắt của đất được tạo thành bởi hai thành phần: lực ma sát và lực liên kết (lực dính) giữa các phần tử đất. Các thành phần lực này phụ 14 thuộc vào các tính chất cơ lý và phụ thuộc vào áp suất pháp tuyến, tức là phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến. Trong quá trình cắt đất theo phương ngang xảy ra sự biến dạng và xuất hiện các ứng suất tiếp tuyến. Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa ứng suất tiếp tuyến τ và biến dạng l có dạng như hình 1.3. Hình 1.3 Quan hệ giữa ứng suất tiếp t và độ biến dạng l 1- đất dẻo 2- đất khô Hình dạng của đường cong cắt đất cũng tương tự như đường cong nén đất. Đối với đất dẻo,sau khi ứng suất cắt đạt đến giá trị cực đại τmax đường biểu diễn là đường nằm ngang, chứng tỏ ứng suất không thay đổi. Nhưng đối với đất cứng, sau khi đạt giá trị cực đại ứng suất cắt giảm xuống chút ít rồi sau đó sẽ giữ nguyên giá trị. Điều này được giải thích rằng, ở đất cứng sức chống cắt được tạo thành chủ yếu do lực ma sát giữa các phần tử đất. Khi τ < τmax trong đất xuất hiện ma sát nghỉ nhưng khi τ = τmax sẽ bắt đầu xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn và do đó xuất hiện ma sát trượt và ứng suất cắt sẽ giảm xuống. Người ta thường sử dụng ứng suất cắt cực đại τmax để đặc trưng cho khả năng chống cắt của đất và gọi là sức chống cắt của đất. Giá trị τmax phụ thuộc vào áp suất pháp tuyến (ứng suất nén), loại và trạng thái vật lý của đất. 15 Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa sức chống cắt t và ứng suất pháp s gần như là tuyến tính, thể hiện như hình 1.4. Đối với đất khô lực dính là không đáng kể, đồ thị đi từ gốc tọa độ, còn ở các loại đất tự nhiên bao giờ cũng tồn tại lực dính giữa các phần tử đất, trên đồ thị được biểu diễn bởi τo. Hình 1.4 Quan hệ giữa ứng suất tiếp t và ứng suất pháp s Mối quan hệ giữa ứng suất tiếp tuyến và ứng suất pháp tuyến có thể được biểu diễn theo công thức : τ = τ 0 + µ.σ (1.2) Trong đó : τo là ứng suất do lực dính giữa các phần tử đất tạo nên; µ - hệ số ma sát giữa các phần tử đất: µ = tgϕ ϕ - góc nội ma sát; σ - ứng suất pháp tuyến. Trong các tính chất vật lý, độ ẩm ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất cơ học của đất. Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa hệ số µ và độ ẩm W có dạng như hình 1.5 16 Hình 1.5 Ảnh hưởng độ ẩm đến hệ số m Độ ẩm còn gây ảnh hưởng đến cả tốc độ biến dạng của đất khi nó chịu tác động tải trọng động. Vì tốc độ thoát nước qua các lỗ rỗng trong đất ảnh hưởng đến tốc độ lan truyền ứng suất và tốc độ biến dạng mà tốc độ thoát nước lại phụ thuộc vào tốc độ thay đổi lực tác động lên đất. Lực tác động của bộ phận di động của máy kéo lên đất mang tính chất tải trọng động lực học. Do đó độ ẩm sẽ gây ảnh hưởng đến tính năng kéo bám và độ trượt của máy kéo. Tóm lại, sức chống nén và sức chống cắt của đất là những thông số quan trọng và thường được sử dụng để tính toán cường độ chịu tải, tính ổn định của đất ở những công trình thủy lợi, xây dựng và là một trong những thông số cơ bản xác định độ lún, số lượng, tiết diện và góc nghiêng của các loại mấu bám bánh xe máy kéo làm việc trên đất có độ ẩm cao. 1.4 Tổng quan về tình hình phát triển máy kéo trên thế giới Hiệu quả sử dụng các liên hợp máy kéo phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, các yếu tố đó có thể chia thành 3 nhóm chính: các yếu tố về điều kiện sử dụng, các yếu tố về tính năng kỹ thuật của máy kéo và các yếu tố về tổ chức sử dụng máy. Giữa các yếu tố này có quan hệ với nhau, phụ thuộc và ảnh hưởng lẫn nhau, có thể hỗ trợ hoặc kìm hãm cho nhau. 17 Do vậy việc nghiên cứu hoàn thiện kết cấu và tổ chức sử dụng có hiệu quả các liên hợp máy kéo là nhiệm vụ trọng tâm nhất và cũng là nhiệm vụ khó khăn nhất trong công cuộc thực hiện cơ giới hóa nông lâm nghiệp. Cũng chính vì vậy nhiều cơ quan nghiên cứu ở nhiều nước trên thê giới đã đầu tư rất lớn vào nghiên cứu giải quyết các vấn đề trên, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển. Máy kéo thuộc loại máy có cấu tạo phức tạp, có nhiều chi tiết đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao. Do vậy công việc thiết kế chế tạo máy kéo là công việc phức tạp đòi hỏi đầu tư cao về kỹ thuật, công nghệ chế tạo và thiết bị máy móc hiện đại. Thế mạnh về sản xuất máy kéo thuộc về các nước công nghiệp phát triển. Những nước đứng đầu về lĩnh vực này là Nhật Bản, Mỹ, Đức, Nga. Những nước này hiện nay đã sản xuất được loại máy kéo mà trên đó đã lắp hệ thống định vị toàn cầu GMS giúp cho máy kéo có thể làm việc mà không cần người điều khiển trực tiếp. Ở các nước chậm phát triển hoặc đang phát triển, việc trang bị một hệ thống máy kéo cho quốc gia của mình chủ yếu theo hướng nhập khẩu. Tuy nhiên do hạn chế về vốn, để tiết kiệm vốn và đồng thời để kích thích, tạo điều kiện cho công nghiệp trong nước phát triển, nhiều nước đang phát triển cũng đã hình thành và phát triển ngành chế tạo máy kéo. Ngày nay với sự phát triển nhanh của ngành tin học đã thúc đẩy nhanh quá trình tự động hóa trong chế tạo máy làm nâng cao chất lượng sản phẩm và hạ giá thành chế tạo. Số nước chế tạo máy kéo ngày càng nhiều. 1.5 Tình hình phát triển máy kéo ở Việt Nam - Tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy kéo Công tác nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kéo ở nước ta bắt đầu khá sớm, từ năm 1962 đã nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm loại máy kéo MTZ – ZM. Tiếp theo đó, liên tục đã có nhiều nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước về chế tạo máy kéo nhưng cho đến nay vẫn chưa có mẫu máy kéo lớn 18 nào được sản xuất chấp nhận. Nguyên nhân chính là do chúng ta chưa có những hệ thống về máy móc hiện đại đáp ứng được yêu cầ chế tạo các loại máy có kết cấu phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao đặc biệt là ngành công nghiệp luyện kim còn quá kém, chưa có công nghệ hợp lý hoặc tiên tiến và những kinh nghiệm thiết kế… Có thể nói sự phát triển của ngành chế tạo máy kéo ở nước ta vẫn đang ở thời kỳ nghiên cứu thăm dò. - Tình hình nhập và sử dụng máy kéo Trong thời kỳ bao cấp, Miền Bắc nhập nhiều loại máy kéo từ các nước Đông Âu, Trung Quốc. Trong đó số lượng máy nhập từ Liên Xô (cũ) chiếm nhiều nhất. Về chất lượng, qua thực tế sử dụng nhiều năm đã khẳng định loại máy kéo bánh MTZ – 50/80 và cả loại máy kéo xích DT – 75 do Liên Xô chế tạo là phù hợp với điều kiện sản xuất của nước ta trong thời kỳ bao cấp. Sau Nghị quyết 10 của Bộ Chính trị, ruộng đất được giao cho nông dân sử dụng lâu dài, kích thước ruộng bị thu hẹp, manh mún. Các máy kéo lớn không phát huy được hiệu quả sử dụng và thay vào đó là các loại máy kéo công suất nhỏ. Các máy kéo đang sử dụng ở Miền Bắc rất đa dạng về chủng loại, mã hiệu và tính năng kỹ thuật, công suất khoảng 6 – 12 mã lực đối với máy kéo 2 bánh và 15 – 30 mã lực đối với máy kéo 4 bánh. Phần lớn trong số đó là các máy nhập từ Trung Quốc, Nhật Bản, Thái Lan,… Thực trạng vấn đề này do nhiều nguyên nhân gây ra, một phần do kích thước đồng ruộng ở các vùng không giống nhau đặc biệt ở Miền Bắc diện tích thửa ruộng quá nhỏ, vốn đầu tư từ nông hộ thì hạn chế ngay cả nhóm, cá nhân chuyên kinh doanh các máy nông nghiệp đi làm thuê vẫn còn khó khăn về vốn. Mặt khác, do nền công nghiệp chế tạo máy kéo ở nước ta chưa phát triển các máy kéo chủ yếu nhập ngoại không được quản lý về chất lượng và cũng không có chỉ dẫn cần thiết của các cơ quan khoa học. Vì thế sự trang bị máy kéo ở các nông hộ gần giống như một cuộc “thử nghiệm” với trình độ rất thấp và không có sự hỗ trợ 19 của các nhà khoa học cũng như sự bảo hộ của pháp luật đối với sử dụng máy. Hậu quả của việc trang bị máy móc thiếu những căn cứ khoa học cần thiết là nhiều chủ máy có hiệu quả sử dụng thấp thậm chí còn bị phá sản, chưa thực sự có tác dụng kích thích phát triển sản xuất nông nghiệp. Đây cũng là bài học thực tế cho các nhà khoa học, các nhà quản lý và những người sử dụng máy. Tình trạng phát triển của ngành chế tạo máy kéo ở nước ta rất chậm và trong những năm tới chưa thể chế tạo ra máy kéo lớn có chất lượng kỹ thuật cao đáp ứng được yêu cầu cơ giới hóa sản xuất nông lâm nghiệp. Hiện nay cả nước có khoảng 250000 máy kéo các loại tăng 1,64 lần so với năm 2000. Ở nước ta có công ty TNHH Hải Đăng chuyên phân phối các loại máy: máy ủi bánh xích có công suất 250kw, động cơ 6 xy lanh. Và phân phối nhiều sản phẩm khác về máy kéo cả bán xích lẫn bánh bơm. 20 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hao tổn công suất trong hệ thống truyền lực Trong quá trình truyền năng lượng từ động cơ đến các bánh chủ động của máy kéo có một phần bị tiêu hao để khắc phục các lực cản trong hệ thống truyền lực, sự tiêu hao đó có thể chía thành 2 nhóm: Nhóm thứ nhất bao gồm sự tiêu hao năng lượng do khuấy dầu và do ma sát giữa các phớt chắn dầu và các trục trong hệ thống truyền lực. Nhóm này không phụ thuộc vào tải trọng ngoài mà chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ quay của các chi tiết, độ nhớt của dầu và do đó gọi tất nhóm này là hao tổn thủy lực. Tốc độ càng lớn thì hao tổn thủy lực càng lớn. Do không phụ thuộc vào tải trọng nên có thể xác định hao tổn thủy lực ở chế độ không tải. Nhóm thứ hai bao gồm các hao tổn do ma sát trong các gối đỡ và trên các bánh răng đang ăn khớp. Nhóm này phụ thuộc vào tải trọng, nghĩa là phụ thuộc vào mô men quay được truyền. Như vậy mô men ma sát trong hệ thống truyền lực có thể được xác định theo công thức : M m = Mo +MT Trong đó : Mo − mô men ma sát khi chạy không (nhóm 1) MT − mô men ma sát do tải trọng gây ra (nhóm 2) Mô men ma sát nhóm 1 không phụ thuộc vào tải trọng, còn mô men ma sát nhóm 2 sẽ tăng tỷ lệ thuận với sự tăng tải trọng, tức là phụ thuộc vào mô men cản. Mô men cản trong hệ thống truyền lực sẽ được truyền đến trục khuỷu và cân bằng với mô men động cơ. Mô men ma sát nhóm 2 sẽ tỷ lệ thuận với mô men của động cơ.