luận văn thạc sĩ nghiên cứu động lực học quá trình khởi hành của liên hợp tời cáp cần treo gỗ lắp trên máy kéo cỡ nhỏ để vận xuất gỗ rừng trồng trên dốc dọc

Đặc điểm của rừng trồng là phõn tỏn, trữ lượng ớt, đường xỏ nhỏ hẹp,địa hỡnh dốc lớn và khụng đồng đều, khai thỏc khụng đại trà chặt đan xen Trang 4 DFH-180, mỏy kộo Shibaura, mỏy kộo b

Đặng Thị Hà

Nghiên cứu động lực học quá trình khởi hành của liên hợp tời cáp, cần treo gỗ lắp trên máy kéo cỡ nhỏ để vận xuất gỗ rừng trồng

trên dốc dọc

Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật

Nghiên cứu động lực học quá trình khởi hành của liên hợp tời cáp, cần treo gỗ lắp trên máy kéo cỡ nhỏ để vận xuất gỗ rừng trồng

trong sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ Quốc Bước vào thời kỳ Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước, vai trò của rừng đối với việc bảo vệ môi trường, cung cấp lâm sản cho nền kinh tế quốc dân, đáp ứng các yêu cầu văn hoá thẩm mỹ của con người sẽ ngày càng tăng lên.

Do nhiều nguyên nhân khác nhau về thời tiết khí hậu, đất đai bị ô nhiễm, do sức ép về nhu cầu của con người đã tác động xấu đến rừng, làm cho rừng nước ta ngày càng suy giảm Nhận thức đúng đắn những hậu quả to lớn, nhiều mặt do sự tàn phá rừng gây ra, cũng như tầm quan trọng của rừng

đối với các lĩnh vực: Kinh tế, xã hội, môi trường sinh thái, an ninh quốc

phòng Đảng và Nhà nước ta đã rất quan tâm, khuyến khích hỗ trợ nhiều dự

án trồng rừng nhằm mục đích khôi phục và phát triển rừng Đặc biệt tại kỳ họp thứ 2 Quốc hội khóa X đã đưa ra nghị quyết về dự án trồng mới 5 triệu ha rừng [21] Dự án trồng mới 5 triệu ha rừng được mở ra với quy mô rộng lớn nhằm gây trồng 3 loại rừng chính là rừng đặc dụng, rừng phòng hộ và rừng sản xuất Thúc đẩy phát triển rừng là xu thế tất yếu của xã hội để góp phần duy trì sự sống trên trái đất và để đáp ứng nhu cầu về lâm sản cho xã hội ngày càng cao Vai trò của rừng trồng ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong việc

đáp ứng nhu cầu về gỗ cho nền kinh tế quốc dân.

Hiện nay, gỗ và củi chủ yếu được lấy ra từ rừng trồng Rừng trồng ở nhiều nơi đang được khai thác với số lượng lớn để làm nguyên liệu giấy, làm

gỗ trụ mỏ, làm nguyên liệu cho công nghiệp chế biến gỗ và các ngành kinh tế khác Đặc điểm của rừng trồng là phân tán, trữ lượng ít, đường xá nhỏ hẹp,

địa hình dốc lớn và không đồng đều, khai thác không đại trà (chặt đan xen

từng vùng để đảm bảo môi trường bền vững), điều kiện áp dụng cơ giới hoá cho khâu khai thác có những khó khăn nhất định Vì vậy, việc nghiên cứu, lựa

DFH-180, máy kéo Shibaura, máy kéo bông sen-12… Trên cơ sở tận dụng nguồn động lực sẵn có trong sản xuất nông lâm nghiệp như hiện nay, đã có nhiều đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị chuyên dùng, dùng nguồn động lực là máy kéo cỡ nhỏ để vận chuyển, vận xuất gỗ rừng trồng - là khâu công việc rất nặng nhọc và nguy hiểm trong dây chuyền công nghệ khai thác gỗ Một trong

số các đề tài đã nghiên cứu và thử nghiệm thành công thiết bị lâm nghiệp chuyên dùng đó là liên hợp máy (LHM) có nguồn động lực là máy kéo cỡ nhỏ với thiết bị tời cáp để vận xuất gỗ rừng trồng.

Do điều kiện làm việc của LHM trên địa hình đất dốc và không bằng phẳng nên đôi khi vận xuất gỗ thì LHM phải dừng trên dốc và người điều khiển phải thực hiện lại quá trình khởi hành, sang số trên những địa hình dốc

là rất phổ biến Việc khởi hành LHM trên dốc dọc là một quá trình phức tạp

và khó khăn nhất trong quy trình sử dụng LHM di chuyển vận xuất gỗ Quá trình khởi hành là quá trình chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái động gây nên áp lực động đột ngột lên các cơ cấu của LHM dẫn đến hư hỏng đột ngột

và giảm tuổi thọ của chi tiết máy Quá trình khởi hành của LHM không chỉ phụ thuộc vào các đặc tính kỹ thuật của LHM như công suất động cơ, tải trọng, quá trình biến đổi năng lượng trong động cơ và đường truyền công suất… mà còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khách quan như độ dốc, hệ số bám, tính ổn định và kỹ năng thao tác, vận hành của người điều khiển Để hiểu rõ bản chất quá trình khởi hành của LHM trên dốc dọc và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khởi hành, để có cơ sở hoàn thiện thêm về mặt kết cấu và chọn chế độ sử dụng LHM có hiệu quả và đảm bảo an toàn,

đòi hỏi phải nắm được các tính chất động học và động lực học của từng phần

tử và toàn bộ hệ thống của LHM trong quá trình khởi hành Nghiên cứu cơ sở

trên máy kéo c ỡ nhỏ để vận xuất gỗ rừng trồng trên dốc dọc” với mục đích

nhằm góp phần xây dựng cơ sở khoa học để tính toán thiết kế cải tiến và lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý LHM khi làm việc trên đất dốc.

Chương 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình sử dụng máy kéo nông nghiệp ở nước ta

Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp, nông thôn, giải

quyết đồng bộ các vấn đề nông nghiệp, nông thôn và nông dân Tiếp tục tạo chuyển biến mạnh mẽ trong sản xuất nông nghiệp, kinh tế nông thôn và nâng cao đời sống nhân dân Cùng với những thành tựu sau 20 năm đổi mới, quá trình thực hiện các đường lối, chủ trương, chính sách của Đảng và Nhà nước

về lĩnh vực nông nghiệp, nông thôn và nông dân chúng ta đã đạt được những thành tựu to lớn có ý nghĩa lịch sử [18]

Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, thực hiện chủ trương công nghiệp hoá và

hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn, nền sản xuất nông nghiệp ở nước ta ngày càng được quan tâm và không ngừng phát triển, ruộng đất được chia lâu dài cho các hộ nông dân, nhiều hộ gia đình còn được sở hữu nhiều hecta gieo trồng do vậy nhu cầu cần trang bị máy móc là rất lớn để phục vụ cho các khâu công việc như làm đất, gieo trồng, chăm sóc, bơm nước, thu hoạch, vận chuyển… Hiện nay máy kéo nông nghiệp đã được nhập vào nước ta rất nhiều chủ yếu phục vụ cho canh tác nông nghiệp Thị trường trong nước chủ yếu là các loại máy kéo nhỏ của Trung Quốc với giá rẻ và chất lượng chưa tốt Máy kéo đã qua sử dụng của Nhật Bản cũng tràn vào Việt Nam, có chất lượng chế tạo cao hơn nhưng giá thành đắt và phụ tùng khan hiếm [7] Máy kéo của Nhật Bản nhập vào nước ta có cấu tạo phức tạp kiểu hiện đại thu nhỏ, những máy này có độ bền, độ tin cậy cao và tiện nghi sử dụng tốt nhưng do khi nhập vào nước ta thường là máy kéo cũ, không có máy công tác kèm theo cũng như phụ tùng thay thế và giá bán tương đối cao, không có tài liệu hướng dẫn sử dụng và dịch vụ sau bán hàng (bảo hành, cung cấp thiết bị phụ tùng …) nên không phù hợp với hoàn cảnh và khả năng công nghệ chế tạo của ngành công nghiệp nước ta hiện nay [11].

Tuy rằng ngành chế tạo máy của nước ta có rất nhiều cố gắng, nhưng hầu hết các máy kéo nhỏ chế tạo trong nước đều là sao chép mẫu của Trung Quốc, Nhật Bản ra đời cách đây nhiều thập kỷ, đơn điệu về mẫu mã và lạc hậu về tính năng kỹ thuật Ngay cả việc sao chép mẫu cũng chưa có căn cứ khoa học đầy đủ để có được những mẫu máy phù hợp với điều kiện sử dụng ở nước ta [7] Để phát huy năng lực của máy móc đòi hỏi ngành chế tạo máy ở nước ta phải tập trung đầu tư nghiên cứu thiết kế, cải tiến, đổi mới quy trình công nghệ để tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt hơn phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế Các máy kéo cỡ nhỏ được chế tạo trong nước chủ yếu ở Nhà máy cơ khí nông nghiệp Hà Tây kết hợp với Nhà máy cơ khí Trần Hưng Đạo

và Nhà máy diezel Sông Công Việc sử dụng và nghiên cứu các loại máy kéo

ở nước ta đã đạt được những kết quả nhất định Máy kéo công suất nhỏ đã và đang dần trở thành nguồn động lực quan trọng chủ yếu trong sản xuất nông

nghiệp ở nước ta.

Cả nước hiện có khoảng 1300 cơ sở chuyên sản xuất, kinh doanh các loại máy kéo, máy nông nghiệp và thiết bị cơ khí phục vụ nông nghiệp; 1218

cơ sở chuyên sửa chữa, bảo dưỡng, bảo hành máy kéo, thiết bị cơ khí, nhưng nhìn chung vẫn chưa thể đáp ứng được yêu cầu, trong khi đó lượng máy nhập khẩu còn thấp Số lượng máy kéo các loại có khoảng 300.000 chiếc, tổng công suất 3,5 triệu mã lực trong đó đa phần là máy kéo 2 bánh dưới 15 mã lực (75,3%), máy kéo bốn bánh 15-35 mã lực (15,2%), máy kéo trên 35 mã lực chỉ chiếm 9,5%.

Theo dự báo của Viện cơ điện và chế biến nông sản, nhu cầu máy kéo

từ 50 CV trở lên bình quân hàng năm là 3000-3200 chiếc/năm, máy kéo từ 20CV là 8000-8200 chiếc/năm để đạt được mục tiêu về cơ giới hoá Hiện tại, Việt Nam không có năng lực sản xuất máy kéo từ 50 CV trở lên Nhóm máy kéo 4 bánh 18-20CV đang phải nhập khẩu Hiện có một số cơ sở đang dự kiến triển khai các dự án láp ráp (phụ tùng nhập) với sản lượng khoảng 1400

8-có công suất 1200 chiếc/năm đặt tại Cầu Diễn - Hà Nội Nhóm máy kéo hai bánh cỡ 6-8-12CV nhu cầu sẽ rất lớn và ổn định, khoảng 7000 chiếc/năm Tuy nhiên, mặc dù hiện nay sản xuất trong nước đã đáp ứng được khoảng 60% nhu cầu (50% do VEAM cung cấp, còn lại do địa phương sản xuất) Để

có thể đạt được mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp mục tiêu

đến năm 2010 ngành cơ khí nông nghiệp cần đáp ứng được 80% nhu cầu cơ

giới hoá các khâu sản xuất nông nghiệp Như vậy, nhu cầu cho việc cơ giới hoá các khâu trong sản xuất nông nghiệp là rất lớn, tạo ra một thị trường đầy triển vọng cho ngành cơ khí nông nghiệp trong nước phát triển nếu được đầu

tư đúng hướng, đúng trọng điểm [23].

1.2 Khái quát tình hình nghiên cứu và áp dụng máy kéo nông nghiệp vào việc vận xuất gỗ nhỏ rừng trồng

Vận xuất gỗ là quá trình di chuyển cây gỗ từ nơi chặt hạ về tập trung ở bãi gỗ ven đường hoặc kho gỗ I rồi từ đó gỗ được vận chuyển đến một nơi tiêu thụ nào đấy Đây là khâu khó khăn nhất, nặng nhọc và phức tạp nhất trong dây chuyền công nghệ khai thác gỗ Nó ảnh hưởng quyết định đến số lượng và chất lượng gỗ sau khi chặt hạ và ảnh hưởng lớn đến việc bảo vệ cây con cũng như đất rừng Chính vì đặc điểm và tầm quan trọng như vậy nên đã

có nhiều nghiên cứu về công nghệ đặc biệt là về máy móc thiết bị trong khâu sản xuất này.

Các máy kéo dùng trong vận xuất gỗ rất đa dạng, song có thể phân chia thành hai nhóm chính: máy kéo xích và máy kéo bánh hơi Các loại máy kéo vận xuất bánh hơi có những ưu điểm nổi trội so với máy kéo xích cùng cỡ Chúng có khối lượng riêng nhỏ hơn, chi phí nhiên liệu cho 1 m 3 gỗ vận xuất ít hơn, tuổi thọ của bộ phận di động cao hơn 2-3 lần, chúng yêu cầu chi phí sử dụng thấp hơn, máy kéo bánh hơi có tốc độ lớn hơn, do vậy cho năng suất cao hơn Ngoài ra máy kéo bánh hơi ít phá hại cây con và đất rừng hơn máy kéo xích Do có những ưu điểm như vậy nên máy kéo bánh hơi được sử dụng ngày càng rộng rãi và chiếm ưu thế so với máy kéo xích Các máy kéo bánh

hơi vận xuất gỗ theo chức năng có thể phân thành hai loại: máy kéo lâm nghiệp chuyên dùng và máy kéo nông nghiệp được cải tiến để vận xuất gỗ Các máy kéo lâm nghiệp có công suất lớn, tính ổn định và khả năng bám cao, cơ động làm việc tin cậy và cho năng suất cao Máy kéo nhãn hiệu LKT-80 các loại Skidder của hãng Timberjack là các loại máy kéo dùng để vận xuất gỗ theo phương pháp nửa lết Chúng được trang bị tời để gom gỗ từ

xa, treo và giữ một đầu bó gỗ khi di chuyển Các loại Forwarder của hãng Timberjack, Norcar, Somet, Valmet, Volvo là những loại máy kéo được sử dụng và buôn bán rộng rãi trên thị trường thế giới [14].

Để nâng cao hiệu quả vốn đầu tư, khai thác và phát huy tối đa năng lực

của máy móc thiết bị, tạo thêm việc làm và thu nhập cho người lao động, ở các nước Bắc Âu, Italia, NewZealand, Canada, Australia… người ta sử dụng rộng rãi máy kéo nông nghiệp trong việc khai thác gỗ rừng trồng Sử dụng máy kéo nông nghiệp để vận xuất gỗ rất có hiệu quả đối với những vùng nông thôn vì vốn đầu tư, chi phí vận hành thấp hơn, phụ tùng thay thế sẵn có và rẻ tiền hơn so với máy kéo lâm nghiệp chuyên dùng Ngoài ra người ta có thể mua máy kéo nông nghiệp cũ với vốn đầu tư thấp rồi cải tiến thành máy vận

Hình 1.1: Máy kéo lâm nghiệp chuyên dùng vận xuất gỗ (Forwader)

Ở nước ta, với cơ chế chính sách hiện nay, rừng và đất rừng đang dần được giao cho từng hộ gia đình, cá nhân quản lý và sử dụng canh tác lâu dài,

tạo nên những trang trại sản xuất nông, lâm nghiệp với quy mô vừa và nhỏ Chính vì vậy mà rừng trồng phân tán, sản lượng khai thác thấp, đường xá đi lại nhỏ hẹp và khó khăn nên việc sử dụng các loại máy kéo có công suất lớn

để vận xuất gỗ sẽ gặp nhiều khó khăn, vốn đầu tư cao và hiệu quả kinh tế

thấp.

Các hộ gia đình được giao đất rừng để tự bảo vệ và phát triển vốn rừng

đã hình thành các trang trại vừa và nhỏ thì phương thức sản xuất nông lâm kết

hợp tỏ ra có hiệu quả vì vậy thực tế sản xuất lại đòi hỏi phải sử dụng máy móc

có công suất nhỏ, chi phí ít…

Để khai thác gỗ rừng trồng có quy mô nhỏ một cách có hiệu quả, vừa đáp ứng các yêu cầu kinh tế vừa đáp ứng các yêu cầu môi trường sinh thái thì

chúng ta cần phải đầu tư nghiên cứu lắp đặt các trang thiết bị chuyên dùng trên máy kéo nông nghiệp cỡ nhỏ để cơ giới hoá các khâu sản xuất lâm nghiệp nói chung và khâu vận xuất gỗ nói riêng.

Hình 1.2: Máy kéo nông nghiệp được trang bị cần nâng đầu gỗ và tời để vận xuất gỗ

Hiện nay, nhu cầu sử dụng máy kéo cỡ nhỏ cho các khâu canh tác của sản xuất nông nghiệp là rất lớn Song đặc điểm của sản xuất nông nghiệp là mang tính thời vụ, thời gian rảnh rỗi trong năm của máy móc còn nhiều Vì thế để nâng cao hiệu quả vốn đầu tư, nâng cao hiệu quả sử dụng, khai thác và phát huy năng lực của máy móc thiết bị phục vụ đa chức năng trong sản xuất nông lâm nghiệp, đồng thời tạo thêm công ăn việc làm và tăng thu nhập cho người lao động, người ta đã sử dụng rộng rãi các loại máy kéo nông nghiệp để vận xuất gỗ [1].

Việc cơ giới hoá khai thác gỗ rừng trồng để cung cấp cho các nhà máy giấy sợi, ván nhân tạo, gỗ trụ mỏ, chống lò cho các khu khai thác mỏ… là một nhiệm vụ rất quan trọng đối với ngành công nghiệp khai thác gỗ ở nước ta Trong các công trình nghiên cứu các nhà Khoa học lâm nghiệp đã bước đầu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ra loại thiết bị vận xuất lắp đặt trên máy kéo nông nghiệp cỡ trung bình và cỡ lớn kèm theo rơ moóc phục vụ cho khai thác

gỗ rừng trồng Các loại thiết bị chuyên dùng được lắp đặt thêm lên máy kéo nông nghiệp để sử dụng trong khai thác rừng như tời gom gỗ, cần treo gỗ, ngoạm, cần trục cơ học hoặc tay thuỷ lực, rơ moóc chở gỗ… và các kết cấu phụ trợ đảm bảo an toàn tạo ra liên hợp máy.

Vào giữa những năm 70, trên cơ sở máy kéo nông nghiệp Zetor 1135 Trường Đại học lâm nghiệp đã nghiên cứu cải tiến thành thiết bị vận chuyển

gỗ theo kiểu lái khung gập và có trang bị tời để gom gỗ lắp trên máy kéo Zetor [19] Thiết bị đã được thiết kế, chế tạo và đưa vào khảo nghiệm cho hiệu quả kinh tế khá cao trong khai thác gỗ rừng tự nhiên Tuy nhiên với yêu cầu sử dụng tổng hợp, một thiết bị phải làm được nhiều việc thích ứng với mô hình kinh tế trang trại và cơ chế hạch toán kinh doanh như hiện nay thì thiết bị này không còn phù hợp nữa vì nó chỉ làm được duy nhất khâu gom gỗ còn các việc khác như bốc dỡ, vận chuyển gỗ không thực hiện được.

Năm 1972 Tiến sỹ Nguyễn Kính Thảo và tập thể cán bộ giảng dạy

gập L35 với thiết bị tời cáp để vận xuất gỗ phù hợp với điều kiện địa hình phức tạp của rừng tự nhiên Máy có thể nhả cáp của tời kéo gỗ từ xa lại gần

và có thể len lỏi trong khu khai thác để vận xuất gỗ theo phương pháp nửa lết với bán kính quay vòng nhỏ [4].

Vào những năm 1980, Viện Khoa học Lâm nghiệp đã thiết kế, chế tạo, thử nghiệm rơ moóc chuyên dùng được trang bị tời cáp để bốc gỗ nhỏ theo phương án bốc dọc kiểu xe Reo, động lực là máy kéo nông nghiệp nhãn hiệu Zetor Tuy nhiên, thiết bị này còn một số hạn chế: Dễ dàng bốc xếp được lớp

gỗ đầu tiên lên sàn moóc, còn từ khi bốc lớp gỗ thứ hai trở đi, đầu bó gỗ bị cày vào lớp gỗ đã nằm trên sàn moóc nên không thể bốc tiếp lên cao được [13].

Năm 1982, tập thể cán bộ phòng kỹ thuật nhà máy cơ khí 15-2 (Bộ Lâm nghiệp cũ) đã nghiên cứu cải tiến xe Krat của Liên Xô thành loại xe kiểu

xe Reo có thiết bị tời cáp, với dàn khung cứng trên thùng xe mà dầm dọc trên cùng có các điểm tựa để treo đỡ các puly dẫn động cho cáp mang tải khi kéo

gỗ lên và xuống theo nguyên tắc bốc dọc [4]

Sản phẩm của các công trình nghiên cứu trên đây đã tạo ra thiết bị chuyên dùng trong Lâm nghiệp lắp trên ô tô, máy kéo bánh hơi Ngoài việc có thể dùng tời cáp kéo gỗ từ xa lại gần (gom gỗ) chúng còn có thể tự bốc gỗ lên,

hạ gỗ xuống và vận chuyển ra khỏi khu khai thác.

Nhằm nâng cao tính năng sử dụng của thiết bị và khắc phục nhược

điểm của thiết bị trên, năm 1994 PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu cùng một số

cán bộ giảng dạy trường Đại học Lâm nghiệp đã nghiên cứu thành công một

đề mục của đề tài cấp Nhà nước KN-03-04: “Thiết kế, chế tạo và khảo

nghiệm thiết bị vận xuất, bốc dỡ, vận chuyển để phục vụ khai thác gỗ nhỏ rừng trồng” [10] Thiết bị thiết kế là một LHM, động lực là máy kéo nông nghiệp MTZ 50 Trang bị chuyên dùng để gom, bốc và vận chuyển gỗ gồm có: rơ moóc một trục, tời cơ học, cơ cấu nâng đầu bó gỗ dẫn động bằng thuỷ lực Tời được đặt phía sau máy kéo có nhiệm vụ kéo gỗ từ xa, tự bốc gỗ lên

moóc Cơ cấu nâng gỗ lắp ở sau rơ moóc có nhiện vụ nâng một đầu bó gỗ cho vượt qua đầu các cây gỗ đã bốc được lên ở lớp trước theo phương pháp bốc dọc Thiết bị này nhờ có sự kết hợp giữa hệ thống tời cáp với sự trợ giúp của

cơ cấu nâng gỗ thuỷ lực, giúp cho việc kéo gỗ từ xa và bốc nhiều lớp gỗ lên

rơ moóc được thuận lợi, thiết bị làm việc cho hiệu quả kinh tế cao.

Năm 1997 nhóm cán bộ giảng dạy bộ môn máy lâm nghiệp Trường Đại học lâm nghiệp đã thiết kế, chế tạo thiết bị chuyên dùng là tời cơ khí một trống (đường kính cáp 8 mm, dung lượng cáp 100 mét) và cần treo gỗ hình chữ A lắp trên máy kéo DFH-180 để vận xuất gỗ nhỏ rừng trồng.

Hình 1.3: Máy kéo nông nghiệp MTZ 50 được trang bị

Rơmoóc 1 trục và tời để gom gỗ từ xa

Các công trình nghiên cứu thiết bị phục vụ cho khâu khai thác gỗ rừng trồng trên đây hầu như chưa đề cập đến vấn đề thực tiễn của sản xuất lâm nghiệp đó là địa hình rừng trồng không bằng phẳng, độ dốc lớn Địa hình rừng trồng có dạng chủ yếu như: mái dông một chiều, địa hình đồi bát úp, địa hình dạng yên ngựa, dạng thung lũng độ dốc trung bình phổ biến từ 10 0 -20 0 ,

cá biệt có những nơi lên đến 45 0 -50 0 Nhằm phát huy tối đa tính năng sử dụng của thiết bị phù hợp với điều kiện sản xuất lâm nghiệp Năm 2006 PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu và các cộng tác viên đã nghiên cứu thành công một đề tài nhánh của đề tài cấp Nhà nước KC 07-26-05 “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và hệ thống thiết bị cơ giới hoá khai thác gỗ rừng trồng trên độ dốc 10 0 -20 0 [3].

Đề tài đã nghiên cứu, thết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công hai

thiết bị đó là: Thiết bị tời cáp lắp sau máy kéo Shibaura để vận xuất gỗ rừng trồng và thiết bị tay thuỷ lực lắp trên máy kéo Shibaura để bốc dỡ gỗ.

Để sử dụng hợp lý, an toàn và hiệu quả các loại máy kéo nông nghiệp

phục vụ sản xuất nông lâm nghiệp thì ngoài việc nghiên cứu cải tiến, thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dùng lắp trên máy kéo, cần phải có nhiều công trình đi vào nghiên cứu đầy đủ hơn xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các LHM như: Nghiên cứu về tải trọng, các yếu tố về động học và động lực học ảnh hưởng tới khả năng làm việc của LHM để có cơ sở chọn chế độ sử dụng hợp lý nhất, cải tiến kết cấu phù hợp điều kiện sản xuất nông lâm nghiệp

cơ trong sự tác động lẫn nhau với các hệ thống thành phần khác của máy kéo

và máy công tác [7].

Năm 2000, TS Lê Minh Lư đã nghiên cứu dao động của máy kéo bánh hơi có tính đến đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi chịu kích động của mặt đường là các hàm xác định và hàm ngẫu nhiên nhằm đánh giá ảnh hưởng của các phần tử đàn hồi phi tuyến đến dao động của máy kéo và của người lái [12].

Năm 2001, TS Nguyễn Tiến Đạt nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm của việc sử dụng máy kéo cỡ nhỏ để cơ giới hoá khâu vận xuất gỗ rừng trồng Việt Nam Công trình đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ mấp mô mặt đường, tốc độ và tải trọng tới một số đặc tính động lực học của máy kéo

có công suất nhỏ với thiết bị tời cáp khi vận xuất gỗ rừng trồng [5].

Năm 2002, TS Nguyễn Văn Quân đã xây dựng cơ sở lý thuyết xác

định một số thông số cơ bản của trang bị lam nghiệp chuyên dùng kèm theo

MKNN, lực tải công nghệ tác dụng lên máy kéo và trang bị chuyên dùng khi LHM vận xuất gỗ nhỏ rừng trồng [14].

Năm 2002, Thạc sỹ Nguyễn Văn An đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ mấp mô mặt đất và tốc độ chuyển động đến phản lực pháp tuyến lên cầu trước của máy kéo DFH-180 khi vận xuất gỗ rừng trồng [1].

Năm 2002, Thạc sỹ Nguyễn Văn Vệ đã nghiên cứu dao động thẳng

đứng của ghế ngồi trên máy kéo DFH-180 khi vận xuất gỗ và biện pháp giảm

xóc cho người lái [20].

Năm 2002, Thạc sỹ Nguyễn Đức Sỹ đã nghiên cứu ổn định động lực học dọc liên hợp máy kéo cỡ nhỏ vận xuất gỗ khi khởi hành theo hướng lên dốc [16].

Năm 2002, Thạc sỹ Phạm Minh Đức đã nghiên cứu khả năng kéo bám của liên hợp máy kéo DFH-180 khi sử dụng rơ moóc một trục vận chuyển gỗ nhỏ rừng trồng Công trình đã nghiên cứu mối quan hệ giữa tải trọng kéo, khoảng cách từ móc nối tới rơ moóc và một số chỉ tiêu kéo-bám của máy kéo,

Năm 2007, Thạc sỹ Nguyễn Hồng Quang đã nghiên cứu về dao động của máy kéo Shibaura với thiết bị tời cáp khi vận xuất gỗ theo phương pháp kéo nửa lết, làm cơ sở cho việc hoàn thiện thiết kế và chọn chế độ sử dụng hợp lý LHM kéo khi vận xuất gỗ rừng trồng [15].

Các công trình nghiên cứu nêu trên đã góp phần đóng góp rất tích cực cho các hoạt động sản xuất nông lâm nghiệp ở nước ta, kết quả nghiên cứu có

ý nghĩa lớn cho việc hoàn thiện thêm kết cấu và chọn ra chế độ sử dụng hợp

lý an toàn và hiệu quả.

Như vậy việc nghiên cứu các yếu tố động lực học của LHM kéo đã

được nhiều tác giả đầu tư nghiên cứu và đạt những kết quả nhất định, nhưng

bên cạnh đó vẫn còn một số vấn đề cần quan tâm do điều kiện LHM làm việc trên địa hình không bằng phẳng, độ dốc lớn, địa hình phức tạp.

Để nâng cao khả năng ổn định khi các LHM làm việc đòi hỏi phải

nghiên cứu các quá trình động lực học (quá trình dao động) diễn ra trong các cụm chi tiết, hệ thống máy Đánh giá các yếu tố tới chất lượng làm việc, nhằm tạo cơ sở để chọn lựa hợp lý các thông số của chúng khi thiết kế cải tiến.

Đặc điểm làm việc của máy kéo, LHM nông nghiệp là tốc độ thấp với

lực kéo lớn, tỷ số truyền của hệ thống truyền lực của máy kéo lớn Ứng suất sinh ra trong các chi tiết của máy kéo phụ thuộc bởi chế độ tải trọng tác dụng lên chúng trong điều kiện sử dụng Tải trọng động có thể gấp vài lần tải trọng

do mô men của động cơ truyền xuống.

Muốn xác định kích thước của các chi tiết để làm việc được an toàn, cần phải xác định tải trọng động tác dụng lên chi tiết đó khi máy kéo làm việc Khi khởi động máy kéo tại chỗ mà đóng ly hợp đột ngột sẽ gây tải trọng động lớn nhất, vì khi đóng ly hợp đột ngột các đĩa chủ động và bị động ép vào nhau không những nhờ lực ép của lò xo mà còn nhờ lực quán tính sinh ra khi đĩa chủ động chạm vào đĩa bị động Thí nghiệm và tính toán chứng tỏ rằng mô men của các lực quán tính này có thể lớn hơn nhiều so với mô men ma sát

sinh ra giữa các đĩa ly hợp Tải trọng động sinh ra truyền qua ly hợp không thể lớn quá mô men cực đại mà ly hợp có thể truyền, vì nếu lớn quá ly hợp sẽ trượt Như thế khi đóng ly hợp đột ngột sẽ gây tải trọng động lớn nhất lên hệ thống truyền lực có thể làm gãy vỡ các chi tiết Đó là chế độ tải trọng thừa nhận để tính toán bánh răng, trục của hệ thống truyền lực theo tải trọng động Qua thực tế cho thấy việc khởi hành và tăng tốc của LHM kéo là rất khó khăn, việc điều khiển rất vất vả khi LHM vận chuyển với tải trọng lớn.

Đặc biệt khi làm việc, di chuyển trên dốc dọc thì việc khởi hành LHM được đánh giá là rất phức tạp và khó khăn nhất trong sử dụng LHM vận chuyển.

Quá trình khởi hành LHM không chỉ phụ thuộc vào các đặc tính kỹ thuật của LHM như công suất động cơ, kết cấu máy, tải trọng… mà còn phụ thuộc rất nhiều yếu tố khách quan như độ dốc, hệ số bám, kỹ năng thao tác và vận hành của người điều khiển Hơn nữa do ảnh hưởng của độ dốc dọc đường vận chuyển lớn sẽ gây ra hiện tượng mất khả năng điều khiển, bánh trước LHM thường bị nhấc bổng khi khởi hành theo hướng lên dốc sẽ gây mất an toàn cho người điều khiển và thiết bị.

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên cần phải nghiên cứu đầy đủ, hiểu rõ bản chất quá trình khởi hành của LHM trên dốc dọc và đánh giá các yếu tố

ảnh hưởng đến chất lượng khởi hành, giúp cho việc sử dụng LHM có hiệu quả

cao, đảm bảo an toàn trong lao động sản xuất và làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế, hoàn thiện các chi tiết, cụm chi tiết, các trang thiết bị chuyên dùng

của LHM thì việc thực hiện đề tài “Nghiên c ứu động lực học quá trình khởi hành c ủa liên hợp tời cáp, cần treo gỗ lắp trên máy kéo cỡ nhỏ để vận xuất

g ỗ rừng trồng trên đất dốc” là cấp thiết.

làm cơ sở cho việc hoàn thiện kết cấu và chọn chế độ sử dụng hợp lý, đưa ra

những khuyến cáo, chỉ dẫn có ích cho người vận hành, điều khiển LHM đảm bảo an toàn cho người và thiết bị góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng LHM để

cơ giới hoá khâu vận xuất gỗ rừng trồng ở nước ta.

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Như đã trình bày ở trên, hiện nay ở nước ta có nhiều loại máy kéo bốn

bánh cỡ vừa và nhỏ đang được sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp Các loại máy kéo này do Nhật Bản chế tạo và nhập vào nước ta là kiểu máy kéo lớn thu nhỏ, có nhiều tính năng tốt, tuy nhiên các loại máy kéo này thường đắt tiền, ít phụ tùng thay thế Trên cơ sở tận dụng nguồn động lực sẵn có và phát huy

tính năng tác dụng của máy kéo để phục vụ sản xuất lâm nghiệp, đẩy mạnh công tác cơ giới hoá khâu vận xuất gỗ giải phóng sức lao động nặng nhọc, kết quả

nghiên cứu đề tài cấp Nhà nước mã số KC-07-26-05 năm 2006 ‘‘Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và hệ thống thiết bị cơ giới hoá khai thác gỗ rừng trồng trên độ

đốc 10 0 -20 0 ’’ Tác giả PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu và cộng sự đã nghiên cứu,

chế tạo thử nghiệm thành công mẫu LHM phục vụ cho khâu khai thác gỗ rừng trồng trên độ dốc 10 0 -20 0 [3] LHM gồm máy kéo Shibaura SD-2843 (4x4) với thiết bị tời cáp dẫn động từ trục thu công suất phía sau và cần treo gỗ chữ A lắp

trên máy kéo để vận xuất gỗ rừng trồng theo phương pháp kéo nửa lết.

2.2.1 Đặc tính kỹ thuật máy kéo Shibaura SD-2843

Máy kéo Shibaura SD 2843 bốn bánh chủ động, vì có hai cầu chủ động nên máy có khả năng kéo bám tốt, khả năng di động cao, có thể vận chuyển

cự ly ngắn trên đường xấu với độ dốc lớn trong giới hạn cho phép Máy kéo Shibaura SD 2843 có công suất 28 mã lực, tiêu thụ nhiên liệu thấp, có trục thu công suất loại phụ thuộc bố trí phía sau máy kéo Máy có kết cấu nhỏ gọn, ổn

định, máy có khả năng làm việc được trên địa hình dốc dưới 20 độ phù hợp

với điều kiện địa hình đồi núi của sản xuất lâm nghiệp.

Bảng 2.1 : Các thông số kỹ thuật chính của máy kéo Shibaura SD-2843

Máy kéo

Loại máy Máy kéo bánh hơi, 2 cầu chủ động

Mã hiệu Shibaura - SD 2843

Động cơ

Loại động cơ Điezel 4 kỳ, 3 xi lanh

Số vòng quay định mức của động cơ 2200 v/p

Số vòng quay của trục thu công suất

Toạ độ trọng tâm

Kích thước Kích thước bao ngoài 3460x1250x1800 mm

Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Tầng số Số truyền Vận tốc của máy kéo (km/h) TST

và các số truyền ký hiệu là: 1, 2, 3 [22].

Hình 2.1: Máy kéo Shibaura SD-2843

Bảng thông số dải tốc độ cho các số truyền ở mỗi tầng số được trình bày ở phụ lục 01.

Trang bị lâm nghiệp chuyên dùng được lắp trên máy kéo là thiết bị tời cáp và cần treo gỗ chữ A lắp sau máy kéo có nhiệm vụ gom gỗ, vận xuất gỗ

từ nơi chặt hạ về tập trung tại các bãi gỗ ven đường.

2.2.2 Thông s ố kỹ thuật của tời và cần treo gỗ

Tời được đặt trên tấm thép đỡ lắp sau máy kéo Tấm thép được lắp với thân cầu sau của máy kéo Shibaura bằng 8 bulông Đế tời được chế tạo từ thép tấm và thép định hình với kết cấu hàn Trên đế đặt hai ổ trục tời, trống tời được lắp với trục tời qua ổ lăn Một đầu của trục tời lắp với đĩa xích bị

động, đầu còn lại lắp then hoa với vấu chủ động Vấu bị động được chế tạo

liền với một đầu của trống tời Như vậy trống có thể quay tự do trên trục tời khi ly hợp vấu ngắt và quay cùng trục tời khi ly hợp đóng Đầu còn lại của trống tời được chế tạo liền với trống phanh và lắp cứng với bánh răng cóc Trên trống tời có thể quấn 80 mét cáp đường kính 10 mm Cáp được vòng qua ròng rọc chuyển hướng đặt trên giá chữ A lắp sau máy kéo.

Mômen quay được truyền từ trục thu công suất của máy kéo, qua bộ truyền xích đến trục tời, qua ly hợp vấu đến trống tời để có hành trình quấn cáp kéo gỗ Hành trình nhả cáp để kéo cáp buộc gỗ được thực hiện khi nhả cóc hãm và ngắt trục thu công suất Trong quá trình kéo gỗ theo phương pháp kéo nửa lết, trục thu công suất được ngắt, nhờ cơ cấu bánh cóc mà một đầu bó

gỗ được treo trên giá chữ A lắp sau máy kéo [3]

Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của tời lắp sau máy kéo

Loại tời Dẫn động cơ khí từ trục thu công suất của máy kéo

Trọng lượng tổng cộng (cả khung chữ A) (N) 1050

2.3 Nội dung nghiên cứu

Với đối tượng nghiên cứu đã chọn, để đạt được mục tiêu đề ra, luận văn tập trung giải quyết những nội dung sau:

- Xây dựng mô hình làm việc của LHM vận xuất gỗ khởi hành lên dốc.

- Xác định các lực cản chuyển động của LHM, xác định lực kéo của cáp tời vận xuất gỗ, xác định phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh

xe trong mặt phẳng dọc khi LHM kéo vận xuất gỗ khởi hành lên dốc làm cơ

sở tính toán, xác định các thông số ảnh hưởng đến chất lượng quá trình khởi hành của LHM.

- Xây dựng đường đặc tính ngoài động cơ, xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo cho LHM, xây dựng đồ thị đặc tính động lực học LHM, xây dựng đồ thị khả năng tăng tốc, gia tốc cho LHM

- Trên cơ sở nghiên cứu động lực học LHM vận xuất gỗ khởi hành lên dốc xác định các thông số ảnh hưởng đến quá trình khởi hành và đưa ra khuyến cáo cho người sử dụng.

Hình 2.2: LHM kéo Shibaura SD-2843 vận xuất gỗ

theo phương phápkéo nửa lết

2.4 Phương pháp nghiên cứu – nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu động lực học quá trình khởi hành của liên hợp tời cáp, cần treo gỗ lắp trên máy kéo Shibaura để vận xuất gỗ, trước hết cần thiết xây dựng mô hình tính toán và các phương pháp phù hợp để nghiên cứu Mô hình lựa chọn để tính toán phải phản ánh được những đặc điểm cơ bản của hệ thống, thích hợp với việc sử dụng những phương pháp nghiên cứu hiện đại.

Từ đó thiết lập phương trình vi phân chuyển động của LHM diễn tả mối liên

hệ giữa các thông số vào và các đặc trưng của mô hình Để giải phương trình

vi phân cần phải sử dụng các phương pháp phù hợp, tuỳ thuộc vào đặc điểm của mô hình nghiên cứu, các thông số đầu vào và mục đích nghiên cứu Nội dung của mô hình thực chất là các phương trình vi phân chuyển

động diễn tả mối quan hệ giữa các thông số vào và các thông số đặc trưng của

chuyển động Các hệ phương trình vi phân này và các điều kiện giới hạn được coi là mô hình toán của hệ thống Dưới đây trình bày một số phương pháp

được sử dụng trong đề tài.

2.4.1 Ph ương pháp giải tích

Theo phương pháp giải tích, sau khi lựa chọn mô hình tính toán và các thông số của hệ thống, dựa vào các định luật cơ học để mô tả các chuyển

động cơ học bằng những phương trình vi phân biểu diễn quỹ đạo chuyển động

của trọng tâm LHM Phương trình vi phân này có thể giải được bằng phương pháp giải tích Đối với mô hình tuyến tính, việc giải các phương trình vi phân này có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau, kết quả nhận được cũng có

độ chính xác khác nhau tuỳ thuộc vào từng phương pháp [9].

2.4.2 Phương pháp mô phỏng số

Do đặc tính phi tuyến của các phần tử đàn hồi, hệ phương trình vi phân

mô tả chuyển động của hệ thống là hệ phương trình vi phân phi tuyến nên chỉ

có lời giải theo phương pháp gần đúng Một trong những phương pháp gần

đúng được sử dụng rộng rãi hiện nay là phương pháp số Phương pháp này được xây dựng với mô hình tính toán cụ thể có các thông số đầu vào, trong

chương trình sử dụng các phương tiện toán học, vật lý học, cơ học… với sự trợ giúp của các phần mềm máy tính chuyên dùng cho kết quả ở dạng bảng biểu, đồ thị… từ đó làm cơ sở phân tích, rút ra những kết luận khi nghiên cứu Hiện nay do sự phát triển rộng rãi của máy tính điện tử, nhiều máy tính có bộ nhớ lớn và tốc độ tính toán rất cao có thể thực hiện được những yêu cầu phức tạp của các bài toán đặt ra Phương pháp mô phỏng số đã và đang thể hiện

được tính hiệu quả nhờ độ tin cậy và độ chính xác cao và phương pháp này

còn có một ưu điểm siêu việt là cùng một lúc có thể khảo sát được sự ảnh hưởng của nhiều thông số của cơ hệ.

Khi nghiên cứu hệ thống phi tuyến và giải các phương trình vi phân với phương pháp gần đúng ta có thể dùng phương pháp Runghen-Kutta với sự trợ giúp của máy tính Khi sử dụng phương pháp này, có nhiều bài toán, nhiều phương trình phức tạp đã được giải quyết Nội dung của phương pháp này như sau:

Với mỗi hệ thống thành phần có một số xác định các thông số đầu vào

x tn và các thông số đầu ra y tn cùng các thông số trạng thái biểu diễn qua hàm

f n = f(x tn ), mối quan hệ đặc biệt được biểu diễn qua sơ đồ:

Theo Runghen-kuta: Y ’ = f(x,y) với f(x 0 ) = y 0 Cho x và x k = x 0 + i x

Chia [x 0 , X] thành n đoạn nhỏ với bước chia: X x 0

h n

k 2 = h.f(x i +

2

h

; y i + 1 2

t   y  

)

y 1 = t.f(t k + t; y k + y 3 )

Ứng dụng để giải phương trình vi phân bậc nhất dạng: y ’ = f(t,y) với

điều kiện ban đầu y(t 0 ) = y 0

y  t  y 

   1 

1 0 0

n n

z  t  z 

   1 

1 0 0

n n

là khi nghiên cứu các quá trình động lực học và tính toán thiết kế các máy, LHM có kết cấu và tính chất hoạt động phức tạp.

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Một số tính chất động lực học của LHM

Các LHM thường làm việc trong điều kiện rất phức tạp, yếu tố tác động

từ bên ngoài rất nhiều như độ mấp mô của mặt đường, lực cản của đất theo phương chuyển động hoặc sự biến đổi của bộ phận làm việc và lực quán tính

động cơ, những tác động này có hại đến chất lượng công nghệ, chi phí năng

lượng của cả quá trình làm việc Vì vậy, cần xem xét, phân tích điều kiện làm việc trong hệ thống chung như hệ thống động lực học giúp cho việc xác lập các đặc trưng (như mô hình toán học) đảm bảo một cách hợp lý khi chọn lực quá trình vào Phân tích tổng hợp điều kiện và chế độ động lực học LHM nông nghiệp khi chúng làm việc với các tác động của quá trình ngẫu nhiên.

Đối với LHM khi làm việc thì tác động chủ yếu là tác động qua lại giữa

bộ phận làm việc với vật liệu và giữa bộ phận di động với mặt đường Đồng thời khi tính toán và thiết kế máy, các trạng thái thực không được xem xét đầy

đủ Đa số các trường hợp khi tính toán thiết kế người ta ứng dụng cơ bản là

mô hình tĩnh học với sự lý tưởng hoá các điều kiện làm việc thực tế, tức là

đưa ra các giả thiết ban đầu để đơn giản hoá bài toán, mà lẽ ra các yếu tố này

rất đa dạng và phức tạp Nhiều tác giả cho rằng khi tính toán và thiết kế cũng như nghiên cứu LHM cần phải xem như là một hệ thống động lực học điều khiển được, cần phải có một mô hình mô tả đầy đủ đến mức có thể về các tính chất của LHM làm việc trong các điều kiện khác nhau.

Hoạt động của LHM có thể được xem như là phản ứng đối với kích thích ngoài ở đầu vào và các tác động điều khiển Khi đó sơ đồ tính toán, phân tích các tính chất hoạt động của một máy bất kỳ không phụ thuộc vào công dụng của nó mà có thể đưa về sơ đồ tổng quát theo nguyên lý đầu vào-

đầu ra Với sơ đồ này việc nghiên cứu chủ yếu là quan hệ giữa các biến đổi

thông số vào và thông số ra, cũng như động lực học việc truyền và chuyển đổi

dụ thông số về điều kiện làm việc: Độ mấp mô mặt đường, lực cản LHM… và các tác động điều khiển như: quá trình thay đổi ga, ngắt gài côn, sang số… tuỳ từng trường hợp có thể là các đại lượng vật lý như lực, mô men, chuyển vị… Các thông số ra là các thông số xác định chất lượng làm việc, các chỉ tiêu năng lượng và kinh tế kỹ thuật, tính bền vững [7].

3.2 Quá trình khởi hành và gia tốc LHM

Khả năng khởi hành và gia tốc nhanh chóng liên hợp máy kéo là một tính chất động lực quan trọng nhất trong việc nâng cao tốc độ chuyển động của máy kéo và mở rộng phạm vi sử dụng máy kéo vào công việc vận xuất gỗ.

Để thuận lợi trong quá trình nghiên cứu gia tốc LHM kéo, ta thay thế

chúng bằng những mô hình tương đương về mặt động lực học Chúng gồm những bánh đà và ly hợp Các bánh đà đó thay thế cho các khối lượng chuyển

động tịnh tiến và chuyển động quay của LHM Ly hợp trong mô hình tương đương được thay thế cho ly hợp chính của máy và sự trượt quay của các bánh

xe chủ động, các khâu có tính chất đàn hồi (đặc trưng cho tính chịu xoắn của

hệ thống truyền lực, các bánh xe chủ động và moóc kéo.

Để đơn giản hoá mô hình động lực học thay thế, với điều kiện là không

tính đến sự trượt của máy kéo khi chuyển động chúng ta dùng kiểu mô hình hai bánh đà thay thế như sơ đồ sau:

Bánh đà 1 đặt tại trục khuỷu động cơ, bánh đà 2 đặt tại trục sơ cấp của

hệ thống truyền lực Giữa bánh đà 1 và 2 ta đặt ly hợp 3 Trên trục khuỷu

động cơ ta đặt mômen xoắn của động cơ M e , trên trục sơ cấp của hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ mô hình thay thế LHM kéo

3

truyền lực ta đặt mômen tổng cộng tất cả các lực cản của LHM M c quy dẫn về trục sơ cấp của hệ thống truyền lực.

Mô men quán tính I e của khối lượng bánh đà 1, đặc trưng cho các khối lượng chuyển động quay và tịnh tiến của động cơ, nó luôn luôn có giá trị không đổi Mômen quán tính I c của khối lượng bánh đà 2 có các trị số khác nhau tuỳ theo giá trị tỷ số truyền của hệ thống truyền lực khi máy kéo chuyển

động có gia tốc.

Nếu ta bỏ qua tổn thất ma sát trong hệ thống truyền lực, từ điều kiện cân bằng về động năng của các khối lượng tương đương và các khối lượng thay thế, chúng ta có thể biểu thị quan hệ của chúng bằng phương trình sau

v - vận tốc chuyển động của máy kéo

I x ,  x - mômen quán tính và tốc độ góc của các khối lượng quay riêng phần kể từ phần bị động của ly hợp xuống hệ thống phía sau

hệ thống truyền lực  c Mômen cản quy dẫn M c đặt ở trục sơ cấp hệ thống truyền lực coi như

hằng số trong cả quá trình tăng tốc LHM Ta biểu diễn chúng ở nửa phía trên của đồ thị bằng đường thẳng song song với trục hoành.

Quá trình khởi hành và tăng tốc LHM kéo tiến hành theo trình tự sau đây:

- Khởi động động cơ

- Mở ly hợp

- Gài số

- Đóng ly hợp từ từ Quá trình khởi hành và tăng tốc LHM được chia làm hai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất: bao gồm khoảng thời gian tiêu hao để làm đồng đều tốc độ giữa trục khuỷu động cơ và trục sơ cấp của hệ thống truyền lực.

Giai đoạn thứ hai: bao gồm thời gian cần thiết để tiếp tục nâng cao tốc

độ chuyển động của LHM đến tốc độ ổn định.

Khi khởi hành LHM, người điều khiển đóng ly hợp một cách từ từ, do

đó mômen ma sát của ly hợp cũng tăng lên từ từ.

Giai đoạn thứ nhất

Trên đồ thị ta nhận thấy mômen ma sát trong giai đoạn đóng ly hợp tăng lên theo quy luật bậc nhất Ly hợp được đóng hoàn toàn sẽ chiếm mất khoảng thời gian t M , sau khi kết thúc quá trình đóng ly hợp thì mômen ma sát của nó có giá trị không đổi, nghĩa là:

Khi mômen ma sát của ly hợp tăng lên thì tốc độ góc trục khuỷu của

động cơ giảm xuống, do đó mômen xoắn của động cơ cũng tăng lên theo quy

luật bậc nhất, biểu thị bằng đoạn OB trên (hình 3.2) Tuy nhiên đường mômen của động cơ vẫn thấp hơn đường mômen ma sát của ly hợp.

Đối với tốc độ quay, lúc bắt đầu khởi hành, trục sơ cấp của hệ thống

truyền lực chưa quay và chỉ bắt đầu quay sau một thời gian t c nào đấy, khi mà

mômen ma sát của ly hợp tăng lên đạt được trị số bằng mômen cản của LHM nghĩa là:

M m = M c (tại điểm A của đồ thị) Sau đó dưới tác dụng của mômen dư, do hiệu số (M m - M c ) tạo ra, làm cho tốc độ góc quay của trục sơ cấp hệ thống truyền lực tăng lên dần dần, còn tốc độ quay của trục khuỷu động cơ giảm xuống dần dần, vì suốt cả thời gian trong giai đoạn thứ nhất mômen ma sát ly hợp luôn luôn lớn hơn mômen xoắn của động cơ Sự giảm số vòng quay của

động cơ được khắc phục bằng động năng của các khối lượng chuyển động của động cơ Số vòng quay của động cơ giảm xuống biểu diễn bằng đường  e trên

đồ thị.

Do tốc độ góc của trục sơ cấp tăng lên dần dần và của động cơ giảm xuống dần dần, nên hiệu số (  e -  c ) cũng giảm xuống dần dần và kết thúc giai đoạn thứ nhất (điểm D), hiệu số này bằng 0 khi hai tốc độ góc bằng nhau.

Đến đây chấm dứt sự trượt của ly hợp chính và kết thúc giai đoạn thứ nhất

quá trình tăng tốc LHM Mômen dẫn đến trục sơ cấp của hệ thống truyền lực

ứng với điểm C giảm xuống đột ngột (điểm E) Khi ly hợp chấm dứt sự trượt

thì trục khuỷu động cơ và trục sơ cấp hệ thống truyền lực bắt đầu cùng tăng tốc độ góc, vì thế mômen của các lực quán tính của động cơ đổi dấu.

Giai đoạn thứ hai

Bước sang giai đoạn thứ hai, trục khuỷu của động cơ và trục sơ cấp có cùng gia tốc góc quay, trị số của chúng phụ thuộc vào mômen dư do hiệu số (M e - M c ) quyết định Sự thay đổi tốc độ góc chung của chúng biểu thị trên đồ thị đường cong chung  e =  c Ly hợp chính trong giai đoạn thứ hai không trượt và mômen ma sát của nó cũng không sử dụng nữa Giai đoạn thứ hai, mômen xoắn của động cơ được truyền qua ly hợp bằng hiệu số:

Trên đồ thị ta nhận thấy, với sự tăng tốc độ góc của trục khuỷu động cơ thì mômen xoắn của động cơ giảm dần theo quy luật bậc nhất (biểu thị bằng

đoạn EF ứng với nhánh không điều chỉnh của đường đặc tính động cơ) Sau

khi giảm đến giá trị mômen định mức M n , mômen lại giảm theo đường FG của nhánh đặc tính điều chỉnh của động cơ.

Để đặc trưng cho tính chất động lực học của LHM kéo khi gia tốc

chúng ta cần nghiên cứu về:

- Khả năng khởi hành LHM ở một số truyền nào đó

- Tiếp tục tăng tốc LHM trong thời gian một giây (1s)

Sự tăng tốc của LHM ở số truyền cần thiết cho máy kéo làm việc, chỉ

được thực hiện với điều kiện là tốc độ góc của trục khuỷu động cơ không được giảm quá tốc độ góc ứng với mômen lớn nhất của động cơ, nếu không

thì trong quá trình tăng tốc động cơ sẽ dần dần chết máy.

Nếu ta gọi tốc độ góc của trục khuỷu động cơ ở cuối giai đoạn thứ nhất

là ’ e , trị số của nó được xác định theo phương trình sau đây.

Trong đó:  x - tốc độ góc của trục khuỷu động cơ khi không tải, ở thời

điểm bắt đầu tăng tốc.

t 1 - thời gian của giai đoạn thứ nhất Tích phân trong phương trình trên có dạng tổng số các tích phân đặc trưng cho sự giảm tốc độ góc của trục khuỷu động cơ ở từng phần riêng biệt của đồ thị Ta thay các trị số mômen M m và M e vào tích phân với từng phần tương ứng.

Tại thời điểm đóng ly hợp, sau khoảng thời gian từ (0  t M ) mômen ma sát của ly hợp sẽ là:

 1 - hệ số dự trữ của ly hợp

M mtt - mô men ma sát của ly hợp khi đóng hoàn toàn Sau khi đóng ly hợp hoàn toàn, cho đến khi kết thúc giai đoạn thứ nhất, thời gian từ (t M t 1 ), mô men ma sát của ly hợp luôn luôn có giá trị không đổi:

M mtt =  1 M n Thời gian tại thời điểm trục sơ cấp bắt đầu quay trong quá trình tăng tốc.

Biểu thị mômen cản của LHM qua hệ số sử dụng tải trọng của động cơ

và mômen xoắn định mức của động cơ, ta được:

Ở đây:  hệ số sử dụng tải trọng của động cơ

Giới hạn dưới của tích phân trên (t c ) chúng ta xác định theo như lý luận

đã trình bày là trục sơ cấp chỉ bắt đầu quay khi mômen ma sát của ly hợp

M M

M c

M n

c c

M I

t

I I

M t I I I

Sau khi tính được , ta phải so sánh với giá trị nhỏ nhất cho phép để

xét khả năng khởi hành của LHM ở số truyền đã cho.

Qua nhiều tài liệu, cho phép tốc độ góc của trục khuỷu động cơ khi tăng tốc có thể giảm đến trị số theo biểu thức sau đây: n = n M – (200300) Ở đây: n M - số vòng quay của trục khuỷu động cơ ứng với mô men xoắn lớn nhất Sau khi xác định được thời gian t 1 , chúng ta tiếp tục xác định thời gian tăng tốc của LHM kéo ở giai đoạn thứ hai t 2

Sau khi chấm dứt sự trượt của ly hợp, nghĩa là kết thúc giai đoạn thứ nhất, gia tốc góc của trục khuỷu động cơ và trục sơ cấp của hệ thống truyền lực được tính theo quan hệ sau đây.

M M d

định mức  n , còn tích phân thứ hai biểu thị thời gian cần thiết để tiếp tục nâng cao giá trị số vòng quay của hệ thống  ’

, ứng với tải trọng đã cho của động cơ

M c , như vậy chúng ta nhận được:

Tăng tốc LHM kéo đến tốc độ xác định ứng với mômen cản quy dẫn,

về mặt lý thuyết không thể tính được vì khi tốc độ của LHM tăng lên thì hiệu

số (M e – M c ) giảm đến giới hạn gần bằng không, do đó quá trình tăng tốc kéo

dài đến vô cùng mới kết thúc Vì vậy muốn xác định được thời gian tăng tốc LHM trong giai đoạn thứ hai, ta tính toán tốc độ góc của hệ thống (trục khuỷu động cơ và trục sơ cấp của hệ thống truyền lực) đến một trị số nào đấy:  gh = (0,95 0,98) ’

Như vậy từ công thức (3.20) ta có:

 0,95 0,98  ' 2

Sau khi đã tính được thời gian tăng tốc LHM của cả hai giai đoạn,

nghĩa là từ lúc LHM bắt đầu khởi hành đến lúc đạt được tốc độ ổn định ở số truyền thấp với tổng thời gian là: t = t 1 + t 2

Từ biểu thức (3.15) và (3.21) ta xác định được thời gian tăng tốc LHM theo công thức sau:

Từ phương trình (3.22) ta thấy rằng, thời gian t để kết thúc quá trình

tăng tốc LHM phụ thuộc vào các thông số kết cấu của động cơ và máy kéo,

cũng như các nhân tố sử dụng, như mức độ quá tải của động cơ, tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, trị số mômen quán tính, mômen cản, trình độ người

điều khiển máy kéo…Trên cơ sở đó đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình khởi hành LHM trong điều kiện làm việc cụ thể.

3.3 Một số thông số ảnh hưởng đến quá trình khởi hành của LHM trên dốc dọc

Hiệu quả quá trình khởi hành LHM kéo phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố,

đó là 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 mối quan hệ với nhau, phụ thuộc và ảnh hưởng lẫn nhau, có thể hỗ trợ nhau hoặc kìm hãm nhau.

Như đã trình bày ở trên, quá trình khởi hành LHM trên dốc dọc rất phức

tạp Trong quá trình khởi hành ở trên dốc người điều khiển cùng lúc phải thao tác phối hợp tất cả các cơ cấu điều khiển đó là: ngắt côn, đạp phanh, chuyển số

sau đó lại nhả phanh chuyển chân từ bàn đạp phanh sang bàn đạp ga trong

khoảng thời gian ngắn nhất có thể, sau đó lại nhả ly hợp từ từ và điều khiển

hướng đi của LHM Như vậy chất lượng khởi hành của LHM trên dốc dọc phụ

thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó đặc trưng nhất là những yếu tố sau [17].

3.3.1 Góc d ốc dọc 

Với một tải trọng cố định của LHM thì độ dốc của đường vận chuyển

ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng quá trình khởi hành của LHM Khi LHM

khởi hành trên đường bằng thì thao tác của người điều khiển đơn giản và dễ dàng vì lúc này lực cản dốc không làm cho LHM có nguy cơ mất điều khiển

và khả năng quá tải cho động cơ, người điều khiển có thể lựa chọn số truyền cao vẫn có thể khởi hành LHM bình thường vì máy kéo có khả năng khởi hành có tải ở mọi số truyền khi: M C < M e max.

Khi LHM bị chết máy trên dốc hoặc không đủ khả năng leo qua dốc thì

người điều khiển phải thực hiện lại quá trình điều khiển, trong giai đoạn này

nếu góc dốc càng lớn thì hiện tượng mất khả năng điều khiển của LHM càng

rõ rệt vì thành phần lực Gsin  (trong đó G là trọng lượng LHM,  là góc dốc) luôn có xu hướng kéo LHM trượt xuống dốc, theo nó phản lực pháp tuyến lên các bánh trước của máy kéo LHM cũng giảm đi Có trường hợp tuy chưa đến

mức LHM mất điều khiển nhưng do góc dốc lớn làm cho thời gian khởi hành của LHM kéo dài Lúc này do trong động cơ bị quá tải nên người điều khiển phải tiến hành thao tác chuyển sang số có tỷ số truyền lớn hơn, mô men bánh chủ động lớn hơn để có thể đưa LHM vượt dốc được.

Trong trường hợp ở một góc dốc nào đó thì khả năng vượt dốc của

LHM là không thể thực hiện được, có trường hợp bánh trước của LHM bị nhấc bổng khi khởi hành theo hướng lên dốc Trường hợp này được gọi là góc dốc giới hạn mà LHM không được phép làm việc, góc dốc giới hạn là góc dốc lớn nhất mà ở đó LHM có thể làm việc an toàn theo khả năng làm việc của

động cơ và khả năng lái của LHM.

Khi LHM khởi hành trên dốc có góc dốc lớn hơn góc dốc giới hạn sẽ

có 3 khả năng xảy ra:

- Động cơ bị chết máy khi mô men cản lớn hơn mô men của động cơ:

Như trên đã nói, khi khởi hành ở số truyền càng cao thì càng khó khăn

cho LHM thắng được lực cản Vì vậy, trong thực tế khi LHM khởi hành ở một độ dốc bất kỳ nào đó, đòi hỏi người điều khiển phải phán đoán để sử dụng số truyền nào cho phù hợp Với góc dốc nhỏ không nhất thiết phải dùng

LHM vận chuyển trên đường có góc dốc lớn hơn bắt buộc người điều khiển

phải lựa chọn số truyền thấp thì mới khắc phục được các lực cản Nếu chọn số truyền không phù hợp ví dụ chọn số truyền quá cao thì LHM sẽ bị tuột xuống dốc nếu lực chủ động nhỏ hơn lực cản chuyển động, động cơ máy kéo sẽ bị quá tải hoặc ''chết máy''.

3.3.3 T ốc độ nhả phanh và tốc độ đóng ly hợp

Hai yếu tố này cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình khởi hành của LHM.

việc phải chọn số truyền hợp lý thì trình độ thao tác của người điều khiển

đóng vai trò rất lớn đối với chất lượng của quá trình khởi hành.

Khi tốc độ nhả phanh lớn hơn rất nhiều so với tốc độ đóng ly hợp, thì trong một khoảng thời gian nhất định liên hợp máy sẽ không khởi hành được, thậm chí là bị trượt dốc Vì trong khoảng thời gian đó lực chủ động chưa đạt

được giá trị để có thể thắng đượ c lực cản trong khi đó lại mất đi một lực hỗ trợ khi LHM đứng ở trên dốc là lực phanh Còn trong trường hợp tốc độ nhả phanh nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ đóng ly hợp thì hiện tượng quá tải của động cơ sẽ xảy ra Vì trong khoảng thời gian đó lực chủ động không thể thắng được lực cản để thúc đẩy cho LHM chuyển động lên dốc, vì tại thời

điểm đó thành phần lực phanh lại là lực cản chuyển động của LHM Như vậy, k hi nhả phanh và đóng ly hợp không hợp lý sẽ thường xuyên xảy ra hai

khả năng sau:

- Động cơ bị ''chết máy'' do quá tải.

- Liên hợp máy bị tuột xuống dốc Hiện tượng này thường xảy ra

đối với người vận hành thiếu kinh nghiệm.

3.3.4 Độ trượt của bánh chủ động

Độ trượt là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng bám của các

bánh xe chủ động với mặt đường, nó ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kéo LHM trong quá trình khởi hành và chỉ tiêu sử dụng của LHM Những yếu tố

cơ bản gây nên ảnh hưởng của độ trượt là: loại kết cấu của hệ thống di động,

các tính chất cơ lý và trạng thái của mặt đường vận xuất, sự phân bố trọng

lượng lên các bánh xe chủ động và lực cản kéo gỗ trên đường vận xuất Để

xét trong giới hạn không xảy ra sự trượt quay của các bánh xe chủ động trong quá trình khởi hành của LHM thì phải thoả mãn điều kiện: P  > P k (P  =

G  ), khi đó hệ số bám của các bánh xe chủ động với mặt đường phải đủ lớn

để đảm bảo cho các bánh xe chủ động nhận được mô men quay từ động cơ

thắng được mô men cản thúc đẩy cho LHM khởi hành và chuyển động tịnh tiến.