Nghiên cứu máy tạo hố trồng cây trên đất dốc

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Xuất phát từ những lý do thực hiện đề tài đã nêu ở trên chúng tôi đặt mụctiêu nghiên cứu là: Máy tạo hố trồng cây trên đất dốc sau khi được nghiên cứu phả

là 12.915.592 ha độ che phủ trung bình trên toàn quốc là 39% và đất trống đồi núi

trọc là 4,86 triệu ha chiếm 14% diện tích của cả nước Diện tích đất trống đồi núitrọc chủ yếu là tập trung ở vùng Tây Bắc như Sơn La, Lai Châu, Điện Biên, HàGiang và một số tỉnh Bắc Trung Bộ như Thanh Hoá, Nghệ An, Quảng Bình, QuảngTrị… Diện tích đất trống đồi núi trọc này chủ yếu nằm ở lưu vực đầu nguồn các consông lớn như: sông Đà, sông Hồng, sông Lam, sông Cả, nên ảnh hưởng rất lớn đếnquá trình giữ nước cho các công trình Thuỷ điện, lũ quét và xói mòn đất …

Nhận thức được tầm quan trọng cần phải có rừng để điều hoà nguồn nướccho các công trình Thuỷ điện, chống lũ quét, điều hoà khí hậu, … Đảng và nhà

nước ta đã đề ra Nghị quyết và phê duyệt Dự án trồng mới 5 triệu ha rừng Trong

chiến lược phát triển Lâm nghiệp giai đoạn 2001-2010 đề ra cần phải trồng mới 3triệu ha nâng độ che phủ lên 43% [5]; [44]

Hiện nay, việc trồng rừng ở Việt Nam chủ yếu là thủ công nên năng suấtthấp, lao động nặng nhọc, chất lượng thấp dẫn đến sự sinh trưởng và phát triển củacây sau khi trồng là rất kém Đặc biệt trong trồng rừng khâu làm đất là khâu quantrọng nhất, nặng nhọc nhất và quyết định đến năng suất, chất lượng của rừng sau khitrồng Việc làm đất trồng cây ở Việt Nam chủ yếu bằng thủ công (dùng cuốc) nêntốn nhiều sức lực, nhiều lao động dẫn đến tốc độ trồng rừng không đạt yêu cầu

Hiện nay ở một số nơi đã sử dụng máy cày, máy khoan hố để làm đất trồngrừng bước đầu cũng đã cho năng suất, chất lượng tốt nhưng thiết bị này có phạm vihoạt động rất hạn chế, chỉ hoạt động ở những nơi địa hình bằng phẳng mà không sửdụng được ở những nơi có độ dốc cao> 250, núi cao, đất bị bạc màu, cơ lý của đất cứng

Muốn nâng cao năng suất, chất lượng trồng rừng phải cơ giới hoá khâu tạo

hố trồng cây, để tạo ra hố đúng kỹ thuật, giảm nhân lực, từ đó mới đẩy nhanh đượctốc độ trồng rừng Mặt khác đối với những nơi đất cứng cuốc hố bằng phương phápthủ công là rất khó thực hiện, đối với những nơi có độ dốc cao thì thiết bị lớn không

thể hoạt động được Chính vì vậy phải nghiên cứu tạo ra được thiết bị gọn nhẹ dễ

dàng mang vác được ở những nơi có độ dốc lớn

Từ yêu cầu cấp thiết hiện nay và căn cứ vào đặc điểm của địa hình, đất đaicủa nước ta cần thiết phải tạo ra một thiết bị tạo hố trồng cây trên đất dốc để cơ giới

hoá khâu làm đất trồng rừng

Từ những lý do trên chúng tôi chọn và thực hiện đề tài: "Nghiên c ứu máy

t ạo hố trồng cây trên đất dốc"

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Xuất phát từ những lý do thực hiện đề tài đã nêu ở trên chúng tôi đặt mụctiêu nghiên cứu là:

Máy tạo hố trồng cây trên đất dốc sau khi được nghiên cứu phải đạt được yêucầu: Năng suất tạo hố trồng cây cao, chất lượng hố sau khi đào tốt, hiệu quả kinh tếlớn, rung động của thiết bị nằm trong giới hạn cho phép, đáp ứng được quy phạm

kỹ thuật trong khâu làm đất trồng rừng

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu máy tạo hố trồng cây trên đất dốc là vấn đề rộng, cần thời gian

dài, trong đề tài này chỉ giới hạn các nội dung sau:

3.1 Thiết bị nghiên cứu:

Đề tài không nghiên cứu phần động cơ của máy mà tập trung giải quyết những

tồn tại của các máy khoan hố hiện nay đang sử dụng đó là: Nguyên lý cắt đất, hệthống cắt đất, rung động của thiết bị, công suất động cơ, công nghệ sử dụng thiết bị

để tạo hố trên đất dốc

3.2 Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài không nghiên cứu tất cả các loại đất trồng rừng hiện nay ở Việt Nam,

cũng không nghiên cứu ở những độ dốc khác nhau mà chỉ tập trung nghiên cứu một

số loại đất trồng rừng phổ biến hiện nay ở miền núi phía Tây Bắc và một số độ dốc

đặc trưng đó là: Đất sỏi đá, đất thịt, đất cát pha, đất ở đồi trọc, đất rừng sau khi khaithác đội dốc trung bình từ 300÷ 450

3.3 Địa điểm nghiên cứu:

Đề tài không có điều kiện khảo nghiệm ở nhiều địa hình, ở nhiều địa điểm mà

chỉ chọn một địa phương, một địa hình đặc trưng cho một số tỉnh vùng Tây Bắc đó

là Hoà Bình để lấy mẩu thí nghiệm và khảo nghiệm

4 Nội dụng nghiên cứu của đề tài:

Với phạm vi nghiên cứu đã trình bày ở phần trên Để đạt được mục tiêu của

đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:

4.1 Nghiên cứu lý thuyết:

Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải quyết các vấn đề sau:

- Xây dựng mô hình tính toán lực cắt đất của dao cắt trong quá trình tạo hố

- Lập công thức tính toán lực cắt, khảo sát các yếu tố ẩnh hưởng đến lực cắt

- Lập công thức tính toán lực tác dụng lên dao cắt trong quá trình cắt đất đểtạo hố trồng cây

- Lập công thức tính lực cản cắt, khảo sát các thông số ảnh hưởng đến lựccản cắt để làm cơ sở tính toán thiết kế các phần tử của dao cắt đất

- Xây dựng cơ sở tính toán và xác định các thông số cơ bản của bộ phận cắt đất

- Xây dựng mô hình tính toán, thiết lập phương trình rung động của máy để

làm cơ sở đề xuất giải pháp chống rung cho máy tạo hố trồng cây

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm:

Nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm các kết quả tính theo lý thuyết và

xác định chi phí năng lượng riêng khi tạo hố trồng cây bằng các dạng cắt khác nhau

Từ các kết quả đó làm cơ sở lựa chọn dạng cắt hợp lý và xác định thông số tối ưucủa hệ thống cắt đất

Nội dụng nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các vấn đề sau:

- Xác định chi phí năng lượng riêng cho một số dạng cắt khác nhau ứng với các loại

đất khác nhau

- Xác định độ ẩm của một số loại đất thí nghiệm

- Xác định chi phí năng lượng riêng ứng với các thông số khác nhau của hệthống cắt đất làm cơ sở để lập mối quan hệ giữa chi phí năng lượng riêng với cácthông số của hệ thống cắt đất.

- Xác định thông số tối ưu của hệ thống cắt đất

- Xác định công suất động cơ để làm cơ sở tính toán lựa chọn loại động cơ phù hợp

4.3 Khảo nghiệm thiết bị nghiên cứu:

Khảo nghiệm máy tạo hố trồng cây trên đất dốc trong điều kiện thực tế nhằm

xác định một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của thiết bị Từ đó sơ bộ xác định hiệu quả

kinh tế khi sử dụng thiết bị và đánh giá khả năng ứng dụng vào thực tế sản xuất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU1.1 Tổng quan về tình hình trồng rừng và diện tích đất trống đồi núi trọc ở một số tỉnh

1.1.1 Tình hình trồng rừng hiện nay ở Việt Nam

Thực hiện Dự án trồng mới 5 triệu ha rừng và các chương trình của Bộ NôngNghiệp & PTNT Hàng năm ở nước ta có hàng trăm ngàn ha rừng được trồng mới.Theo kết quả thống kê diện tích rừng được trồng mới được thể hiện ở bảng 1.1, [1]; [2]

Bảng 1.1: Diện tích rừng trồng theo các vùng sinh thái

1.1.2 Diện tích đất trống đồi núi trọc cần phải trồng rừng:

Theo kết quả điều tra rừng năm 2005 cả nước còn 6,13 triệu ha đất trống đồinúi trọc Trong đó khoảng 1 triệu ha là núi cao khó khăn cho việc trồng cây, còn lại

5 triệu ha là có thể trồng cây được Ngoài ra, hàng năm nước ta cũng mất hàng trămngàn ha do cháy rừng, do đốt nương làm rẫy, khai thác Lâm sản trái phép, nên diện

tích đất cần phải trồng rừng là rất lớn Diện tích đất không có rừng theo vùng sinh tháiđược thể hiện ở bảng 1.2, [1]; [2]; [4]

Bảng 1.2 Diện tích đất không có rừng theo vùng sinh thái

Từ số liệu ở bảng 1.2 chúng tôi có một số nhận xét sau:

- Diện tích đất trống cần phải trồng rừng là rất lớn, cần phải phát triển nhanhdiện tích trồng rừng để đáp ứng yêu cầu cấp thiết trong việc phòng chống bão lụt,giảm thiểu biến đổi khí hậu, phục vụ các nhu cầu cần thiết cho cuộc sống

- Cần phải nghiên cứu tạo ra công nghệ và thiết bị thích hợp để cơ giới hoákhâu trồng, chăm sóc rừng Có như vậy mới đáp ứng được yêu cầu cấp bách của

toàn Đảng, toàn nhân dân về phủ xanh đất trống đồi núi trọc trong thời gian tới

1.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu và sử dụng thiết bị tạo hố trồng cây trên thế giới:

Việc nghiên cứu và sử dụng các thiết bị để cơ giới hoá khâu tạo hố trồng câytrên thế giới đã được nghiên cứu tương đối hoàn thiện Đối với các nước phát triển

như Mỹ, Canada, Đức, việc tạo hố trồng cây chủ yếu sử dụng máy khoan hố lắp

sau máy kéo, quá trình nghiên cứu và sử dụng máy và thiết bị tạo hố trồng cây đượcphân ra hai loại:

- Đối với địa hình bằng phẳng sử dụng máy khoan hố dẫn động thuỷ lực, cónguồn động lực là máy kéo Nông nghiệp Ưu điểm của thiết bị này là năng suất cao,

kích thước hố đào tốt đạt yêu cầu kỹ thuật Nhược điểm của thiết bị này là chỉ sử

dụng được ở những nơi địa hình bằng phẳng, còn những nơi có địa hình dốc như ởcác tỉnh vùng núi phía Bắc nước ta là không thể sử dụng được( hình1.1), [37]

Hình 1.1 Máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo.

- Đối với những nơi có địa hình phức tạp mà máy kéo không thể hoạt động

được thì các nhà khoa học của Đức, Nhật, đã nghiên cứu thiết kế chế tạo ra loại

máy khoan hố cầm tay một đến hai người điều khiển, như máy khoan hố cầm tay

ES – 35B của Đức, máy khoan hố trồng cây KOMATSU 1 người điều khiển củaNhật Bản (Hình 1.2) Ưu điểm của máy này là có thể sử dụng được ở những nơi có

địa hình phức tạp, độ dốc lớn nhưng nhược điểm là trọng lượng máy lớn kích thước

mũi khoan nhỏ, kích thước hố sau khi khoan không đạt yêu cầu kỹ thuật, không thể

khoan được ở những nơi đất cứng, đất hoang hoá như ở nước ta Loại máy này chỉ

phù hợp với nơi đất mềm, đất cát, [51]

Hình 1.2 Máy khoan hố cầm tay.

- Hãng Husqvarna của Thuỷ Điển đã thiết kế chế tạo ra loại máy khoan hốcầm tay một người điều khiển Loại thiết bị này chỉ sử sụng được ở những nơi đấtmềm, không phù hợp với điều kiện địa hình ở Việt Nam

Theo tài liệu [50] của Trường Đại Học Lâm Nghiệp Nam Kinh – TrungQuốc đã nghiên cứu tạo ra được thiết bị khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo ĐôngPhong, sử dụng những nơi có địa hình bằng phẳng

Tác giả Bverrer.R trong công trình nghiên cứu [46] đã nghiên cứu thiết kế,chế tạo máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo với dẫn động thuỷ lực Kết quảnghiên cứu cho thấy khi sử dụng máy khoan hố thì năng suất gấp 10 lần tạo hố bằngthủ công, chất lượng hố đạt yêu cầu kỹ thuật( 40x40x40)

Tác giả Zhou.T.G trong công trình nghiên cứu [49] đã so sánh chất lượngcủa cây trồng khi sử dụng phương pháp thủ công với phương pháp cơ giới Kết quảnghiên cứu cho thấy trồng cây sử dụng máy khoan hố cây phát triển tốt hơn

Theo công trình nghiên cứu [43] của khoa Cơ điện Trường Đại Học NamNinh – Trung Quốc đã nghiên cứu tạo ra được loại mũi khoan lắp sau liên hợpmáy với nguồn động lực là máy kéo lâm nghiệp Loại mũi khoan này cho kích

thước hố (50x50x50)cm và thành hố không bị miết chặt Kết qủa nghiên cứu

cho thấy loại mũi khoan này tiêu hao công suất lớn nên chỉ sử dụng cho loạithiết bị có nguồn động lực lớn

Theo kết quả nghiên cứu của hãng Little Beaver và hãng Dolkem đãnghiên cứu và đưa vào sử dụng nhiều dạng mũi khoan hố khác nhau, sửdụng cho các loại thiết bị khác nhau Kết quả nghi ên cứu cũng đã đưa ra

được thông số của các lưỡi cắt phạm vi sử dụng và ưu nhược điểm của

từng loại mũi khoan Tồn tại lớn nhất của các dạng mũi khoan n ày là kích

thước của mũi khoan nhỏ nên hố sau khi khoan không đạt yêu cầu kỹ

thuật (loại lớn nhất có đường kính 20 cm) Loại mũi khoan này chỉ phùhợp trong khoan công trình Cấu tạo và hình dạng mũi khoan được thểhiện trên hình 1.3

Hình 1.3 Một số loại mũi khoan của hãng Little Beaver.

Hãng Bobcat của Mỹ đã nghiên cứu đưa ra một số lưỡi cắt chỉ phù hợp vớimũi khoan trong công trình xây dựng mà không phù hợp trong khoan hố trồng cây(hình 1.4)

TT Loại lưỡi khoan Phạm vi ứng

Theo các kết quả nghiên cứu trong các tài liệu [43]; [47]; [50], ở Mỹ, TrungQuốc và Nga đã nghiên cứu thiết kế chế tạo ra một số loại máy khoan hố trồng câylắp sau máy kéo bánh xích, bánh bơm với dẫn động thuỷ lực và cơ học Thiết bị này

được sử dụng ở những nơi có địa hình bằng phẳng độ dốc < 150

Kết quả nghiên cứu cho thấy chưa có loại máy khoan hố cầm tay nào sửdụng phù hợp ở những nơi có địa hình dốc

Tóm lại: Việc nghiên cứu và áp dụng các thiết bị tạo hố trồng cây để cơ giới

hoá trồng rừng đã được nhiều Nước trên thế giới nghiên cứu, nhiều Nhà khoa họcnghiên cứu Các thiết bị không ngừng được hoàn thiện và được áp dụng rộng rãi.Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ giải quyết được là tạo hố trồng cây ở địa hình

các kết quả còn hạn chế, còn nhiều tồn tại, chưa được áp dụng rộng rãi

1.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng thiết bị tạo hố trồng cây ở Việt Nam.

Cơ giới hoá khâu làm đất trồng rừng nói chung và cơ giới hoá khâu tạo hố

trồng cây ở Việt nam nói riêng đã được các nhà quản lý, các nhà lãnh đạo, các nhàkhoa học rất quan tâm Song kết quả thu được còn rất hạn chế cụ thể:

Năm 1967 Việt Nam đã nhập hàng trăm máy khoan hố trồng cây của Đứcnhư máy ES-35B và Winman của Tiệp Khắc để khảo nghiệm và áp dụng ở Quảng

Ninh và Phú Thọ Kết quả khảo nghiệm cho thấy loại thiết bị này không áp dụngvào sản xuất ở đièu kiện địa hình Việt Nam được

Năm 1970 Việt Nam nhập về một loại thiết bị của Thụy Điển có tên gọiPUTY để cơ giới hoá khâu tạo hố trồng cây Kết quả khảo nghiệm cho thấy loại

thiết bị này không áp dụng được với điều kiện địa hình Việt Nam

Năm 1976 Khoa cơ giới trồng rừng thuộc Viện công nghiệp rừng đã nghiên

cứu cải tiến một số thiết bị tạo hố trồng cây Kết quả nghiên cứu cũng chưa áp dụngvào thực tế sản xuất được [23]

Theo tài liệu [24] năm 1976- 1980 Khoa cơ giới trồng rừng thuộc ViệnCông nghiệp rừng đã có những nghiên cứu: Cải tiến lưỡi khoan dạng xoắn ốc, mục

đích làm giảm trọng lượng của mũi khoan từ 12kg xuống còn 8kg nhưng chất lượng

hố vẫn đảm bảo Nghiên cứu thay đổi độ cong của lưỡi khoan dạng khung, thay đổikết cấu của mũi khoan

Theo luận văn thạc sỹ của Hoàng Hữu Đao “ Nghiên cứu ảnh hưởng cácthông số hình học của lưỡi khoan đến tiêu hao công suất và độ nén chặt của thànhhố” Tác giả đã lập được tương quan giữa các tham số ảnh hưởng tới tiêu hao côngsuất, sau đó đã tìm được các thông số tối ưu của mũi khoan hố dạng khung Tồn tạicủa công trình trên là chưa xây dựng được cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị tạo hốtrồng cây và mũi khoan hố dạng khung không thể sử dụng nơi đất cứng, [10]

Năm 2005, PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu đã thực hiện đề tài cấp Bộ “Thiết

kế, chế tạo và khảo nghiệm thiết bị chuyên dùng lắp với nguồn động lực cỡ nhỏ để

đào hố trồng cây, phát thực bì phục vụ trồng và chăm sóc rừng” Kết quả của đề tài

đã tạo ra được hai mẫu máy khoan hố với nguồn động lực là máy kéo BS-8 với dẫnđộng thuỷ lực và cơ khí có mũi khoan dạng khung hình 1.5 Thiết bị trên có tồn tại

lớn là không di chuyển được trên địa hình có độ dốc lớn, nên chỉ phù hợp với những

nơi có địa hình bằng phẳng

Hình 1.5 Máy khoan h ố trồng cây với dẫn động thuỷ lực và cơ khí.

Năm 2006 Đề tài cấp nhà nước “ Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và hệ

thống thiết bị cơ giới hoá các khâu làm đất, trồng chăm sóc rừng trồng và khai thácgỗ” do TS Lê Tấn Quỳnh làm chủ nhiệm và PGS.TS Nông Văn Vìn chủ trì Đề tàichính Đề tài đã thiết kế chế tạo ra máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéoShibaura – 3000A với dẫn động thuỷ lực hình 1.6; [30]

Hình 1.6: Máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo Shibaura – 3000A

Thiết bị có ưu điểm là năng suất đào hố cao, dễ điều khiển Tuy nhiên thiết bị

thì máy hoạt động không có hiệu quả

Năm 2006: Bộ môn máy lâm nghiệp Trường Đại Học Lâm Nghiệp đã nhập

về máy khoan hố trồng cây AG431 của Nhật Bản với mũi khoan xoắn ốc Quátrình sử dụng máy tại rừng thực nghiệm của trường chúng tôi có nhận xét: Máychỉ khoan được ở những nơi có nền đất mềm, còn những nơi đất cứng, đất trống

đồi núi trọc thì máy khoan này không khoan được, kích thước hố nhỏ, đường

kính d= 20cm, chất lượng hố khoan thấp Nên thiết bị này không áp dụng vào sảnxuất được, không phù hợp với điều kiện địa hình, tính chất cơ lý đất của ViệtNam

Năm 2007.Th.S Trần Đình Tuyển đã thực hiện Đề tài nghiên cưú cấp trường

“Thiết kế cải tiến lưỡi khoan hố trồng cây” Kết quả của đề tài đã thiết kế, cải tiếnđược mũi khoan hố với các góc cắt, góc mài hợp lý Song tồn tại của mũi khoannày là đất không đưa lên được khỏi hố, nếu gặp rễ cây, cỏ rác là không khoanđược [42]

Từ các tồn tại của các công trình nghiên cứu ở trên Đề tài cần phải giải quyết

đó là: Thiết bị phải gọn nhẹ để cơ động trên địa hình dốc, hoạt động dễ dàng ởđịa hình có độ dốc cao Vì vậy, phải tìm ra nguyên lý tạo hố mới để đáp ứng các

yêu cầu trên

Tóm lại: Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về thiết bị tạo hố

trồng cây Song các công trình này chủ yếu nghiên cứu sử dụng ở những nơi có

địa hình bằng phẳng với độ dốc < 150 Các thiết bị đã nêu trên hoạt động khônghiệu quả trên địa hình dốc cao Chưa có công trình nào nghiên cứu về thiết bị tạo

hố trồng cây trên địa hình dốc >150

Để có cơ sở lý thuyết cho quá trình tính toán thiết kế, hoàn thiện các thông số

kỹ thuật của máy tạo hố trồng cây trên đất dốc, cũng như làm tài liệu tham khảocho quá trình tính toán thiết kế cải tiến các thiết bị khoan hố nói chung thì việcthực hiện Đề tài “Nghiên cứu máy tạo hố tạo hố trồng cây trên đất dốc “ mà luận

văn lựa chọn là hết sức cần thiết

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:

2.1.1 Đối tượng của quá trình tạo hố trồng

Căn cứ vào các tài liệu [1]; [2]; [4]; [19] và kết quả điều tra khảo sát ở một

số tỉnh như Lai Châu, Hoà Bình, Điện Biên, Phú Thọ thì loại đất của các khu vựccần trồng rừng được chia ra các loại sau:

- Đất trống đồi núi trọc;

- Đất trồng rừng sau khi khai thác;

- Đất bỏ hoang sau đốt nương làm rẫy

Kết quả điều tra khảo sát nghiên cứu cho thấy rằng diện tích đất trống đồi núitrọc chưa có cây cần phải trồng rừng là rất lớn chiếm 90% diện tích cần phải trồngrừng hiện nay Những diện tích này chủ yếu tập trung ở những nơi xa đường giao

thông, độ dốc lớn, đất cằn cỗi, bạc màu hình 2.1

Hình 2.1 Đất trống đồi núi trọc cần phải trồng rừng ở Lai Châu.

Hàng năm, ở Việt Nam đã khai thác hàng ngàn ha rừng để phục vụ cho các

nhu cầu trong nền kinh tế quốc dân, nên diện tích đất cần phải trồng rừng là rất lớn.Ngoài ra do tập quán du canh du cư, đốt nương làm rẫy của đồng bào các dân tộc

mà hàng năm có hàng ngàn ha đất sau đốt nương làm rẫy được bỏ hoang cần phải

trồng lại

2.1.1.1 Đặc điểm của đất cần phải tạo hố trồng cây.

- Đối với đất trống đồi núi trọc: Theo thống kê của Viện điều tra quy hoạchrừng thì hiện nay cả nước có khoảng 2,5 triệu ha đất trống đồi núi trọc tập trung ởcác tỉnh Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Thanh Hoá, Nghệ An,…đặc điểm của cácloại đất này là:

+ Độ dốc lớn, trung bình từ 30-500 độ cao lớn so với mặt nước biển

+ Thực bì chủ yếu là cây bụi, Lau lách , Giang nứa, Sim mua

+ Đất bạc màu, tầng đất thịt nông, cằn cỗi, lớp đất màu đã bị rữa trôi

+ Độ cứng của đất lớn Theo kết quả trong tài liệu [40] trị số độ chặt của đất

+ Loại đất chủ yếu là đất thịt lẫn sỏi đá Trong đất có nhiều rễ cây

Với những đặc điểm đã nêu trên thì việc cuốc hố bằng thủ công là hết sức

khó khăn Do vậy cần phải cơ giới hoá khâu tạo hố trồng cây để giảm nhẹ sức laođộng, tăng năng suất Trong quá trình nghiên cứu máy tạo hố trồng cây phải xemxét các đặc điểm của loại đất này để tạo thiết bị cho phù hợp

- Đối với đất trồng rừng sau khai thác: Tính chất của đất trồng sau khi khaithác phụ thuộc vào loài cây trồng Hiện nay ở Việt Nam rừng sản xuất kinh doanhchủ yếu được trồng hai loại cây đó là loài Keo và Bạch Đàn Đối với đất trồng loàiKeo thì trong quá trình sinh trưởng và phát triển lá Keo rụng xuống có tác dụng cảitạo đất , làm cho đất xốp hơn, độ ẩm của đất cao hơn Do vậy độ chặt của đất ở mức

độ trung bình từ 15-20Kg/cm2 độ ẩm trung bình 20-30% Đối với đất rừng sau khai

thác mà loài cây trồng là cây Bạch Đàn thì độ cứng của đất cao hơn, độ phì của đấtthấp hơn Đối với một số khu rừng trồng Bạch Đàn của Công ty giấy Bãi Bằng sau

3 chu kỳ kinh doanh thì độ chặt của đất rất cao.Vì thế việc tạo hố bằng thủ công làkhó thực hiện

Đặc điểm của đất trồng rừng sau khai thác là:

+ Đất đã được cải tạo nên độ chặt trung bình từ 15-20Kg/cm2

+ Gần khu dân cư, thuận tiện về giao thông

+ Độ ẩm của đất cao, tầng đất màu cao

+ Có nhiều rễ cây, gốc cây

+ Độ dốc trung bình 30-400.

Với những đặc điểm trên, hiện nay việc tạo hố trồng cây ở loại đất này chủyếu là dùng thủ công ( Cuốc) một số nơi có địa hình bằng phẳng như ở Đồng Nai,Bình Dương đã sử dụng máy cày để làm đất trồng rừng sau khai thác Một số đơn vịcủa Công ty giấy Bãi Bằng đã sử dụng máy đào gốc để làm đất trồng rừng

- Đối với đất hoang hoá sau phát nương làm rẫy: Sau một vài vụ canh tác

đồng bào bỏ đi không canh tác nữa Loại đất này có đặc điểm:

+ Độ dốc lớn, ở vùng sâu, vùng xa, khó khăn về giao thông;

+ Đất bị bạc màu, bị rữa trôi;

+ Thực bì đã được dọn sạch, thuận lợi cho việc tạo hố trồng cây

Từ những đặc điểm của đất trồng rừng chúng tôi có nhận xét sau:

- Độ dốc của đất lớn Đặc điểm này ảnh hưởng đến việc sử dụng máy và thiết

bị, từ đó yêu cầu thiết bị phải gọn nhẹ, tính cơ động cao

- Độ chặt của đất rất lớn, điều này đòi hỏi phải tốn nhiều lực để phá vỡ kếtcấu của đất mới tạo ra hố trồng cây đúng quy cách

- Trong đất lẫn nhiều rễ cây, đá sỏi nên lực cản lớn, chính điều này gây khó

khăn cho qúa trình khoan cắt để tạo hố

- Những đặc điểm trên là cơ sở khoa học để nghiên cứu dạng cắt, các thông

số của hệ thống cắt đất để tạo ra hố trồng cây

2.1.1.2 Phân loại đất trồng rừng:

Hiện nay có nhiều cách phân loại đất khác nhau, tùy thuộc vào mục đích yêucầu của việc phân loại và sử dụng Nhưng nhìn chung có thể phân loại đất đá nhưsau:

Theo đặc điểm của quá trình hình thành, quá trình phong hóa các loại đá gốc để

tạo thành đất Tùy thuộc vào đặc điểm, tính chất của quá trình phong hóa mà ta cóthể phân loại đất thành các loại sau:

- Đất vụn rời ( Đá dăm, sỏi, cuội, cát): Các loại đất này là kết quả của quá

trình hóa lý học của các loại đá gốc sinh ra Các tác nhân chủ yếu của quá trìnhphong hóa ở đây là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, độ ẩm khí quyển tạo nên các dạng

ứng suất phức tạp trong lòng các đá gốc dẫn đến phá vỡ chúng thành các loại hạt

vụn rời, không dính, không dẻo Thành phần và tính chất của chúng gần giống với

đá gốc nên khá ổn định Kích thước hạt của các loại đất này thường lớn, dễ nhận

thấy bằng mắt thường

- Đất dính, dẻo (Các loại đất sét): Đất sét được hình thành chủ yếu do phong

hóa hóa học các đá gốc Tác nhân chủ yếu trong quá trình hóa học là ôxy, nước, cácchất hóa học và các dung dịch của chúng Trong quá trình phong hóa các loại đágốc bị phân hủy, thay đổi tính chất, thành phần hóa học nên tính chất của đất sétkhác hẳn so với các loại đá gốc Kích thước các hạt đất sét thường rất nhỏ ( < 0,005

mm) và thường chứa các hạt keo nên chúng có khả năng liên kết tốt với nước Khi

bị ẩm thì dính dẻo đồng thời khả năng chịu tải giảm rất nhanh

- Đất bột: Đất bột được hình thành do quá trình phong hóa lý - hóa học hỗn

hợp rất phức tạp Tác nhân của quá trình phong hóa này vừa là các tác nhân lý học:nhiệt độ, áp suất… vừa là các tác nhân hóa học: oxy, nước, các dung dịch hóahọc…dẫn đến các tính chất lý, hóa học của đất bột rất khác biệt so với đá gốc

- Đất trồng: Là loại đất có thành phần và tính chất rất phức tạp, được hình

thành do quá trình phong hóa, lý – hóa – sinh học hỗn hợp Trong đất trồng có chứanhiều tạp chất hữu cơ, vi sinh vật hoạt động rất mạnh

Từ các cách phân loại trên cho chúng ta định hướng và tìm hiểu được tính chất

cơ lý của một số loại đất Trong phạm vi đất trồng rừng đối tượng mà chúng tôiđang nghiên cứu thì chúng tôi phân ra theo 3 dạng đất cơ bản và chủ yếu nhất củađất trồng rừng ở một số khu vực của nước ta hiện nay đó là:

- Đất sỏi đá;

- Đất thịt;

- Đất cát pha

2.1.1.3 Thành phần của đất trồng rừng:

- Đất sỏi đá: Đại bộ phận là các mãnh vỡ vụn của đá Mắc ma, đá Biến chất, đá

Trầm tích tạo thành Chúng có hình dạng khác nhau Nếu tích tụ tại chỗ gần nơi đágốc bị phá vỡ thì có dạng sắc cạnh nhưng trong thực tế thường gặp loại đất này ởdạng tròn cạnh tích tụ thành từng lớp, tầng ở các lũng sông suối, miền núi, trung du

Tính co ép của loại đất này nhỏ: giữa các hạt không hình thành nước mao dẫn

nhưng có tính thấm nước lớn

- Đất cát pha: Có chứa lượng sét từ 3- 12% Thành phần chủ yếu là thạch anh

SiO2, manhetit, mica, fenpat…đường kính hạt càng nhỏ thì hàm lượng thạch anh

càng lớn Ngoài ra còn chứa các loại hạt sét, hạt keo các hạt này có kích thước nhỏ

hơn 0,005 mm

- Đất thịt: có hàm lượng các hạt sét từ 12 – 25% Đã có tính dính của các hạt

sét ở mức độ tương đối cao Tính dẻo của chúng tương đối lớn

2.1.1.4 Một số tính chất cơ lý của đất ảnh hưởng đến quá trình tạo hố trồng cây

Tính chất chung của đất là một kết cấu như là một môi trường rời rạc và không

đồng nhất Chúng có tính rời rạc vì các hạt cứng liên kết với nhau rất yếu so với sức

bền của bản thân các hạt cứng, giữa các hạt còn có các khoảng trống Tính không

đồng nhất còn thể hiện ở các mặt: kích thước và sự phân bố các hạt cứng rất khôngđồng đều nhau; tính chất các hạt cứng cũng rất khác nhau ngoài ra trong đất chứacác xác động, thực vật phân bố khác nhau Sự liên kết của đất chủ yếu do ma sát nội

hạt, lực hấp dẫn phân tử giữa các hạt cứng, sức căng màng nước và sự dính kết củacác hạt vi nhỏ có trong đất

Khi ta tác dụng các lực cơ học vào đất, thông qua bộ phận làm việc của máy canhtác ( máy khoan hố trồng cây), thì xảy quá trình tác dụng tương hỗ giữa lưỡi cắt và

đất, qua quá trình tương tác rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố Sự tác dụng

có thể chia ra làm 3 hiện tượng sau:

Khả năng di chuyển hay hiệu quả làm việc của các máy canh tác với đất phụthuộc vào các tính chất cơ lý của đất

a) Độ ẩm của đất: Độ ẩm của đất có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tác dụng

đất lên lưỡi cắt của máy nói chung hay quá trình khoan hố nói riêng Độ ẩm có thể

tính theo 3 cách: Độ ẩm tuyệt đối; độ ẩm tương đối; độ ẩm toàn phần Độ ẩm của

đất càng thấp thì lực cản cắt của đất lên lưỡi cắt càng cao, do vậy trong quá trinh tạo

hố nên chọn thời điểm mà đất có độ ẩm thích hợp để tiến hành công việc thì chi phínăng lượng riêng thấp hơn .

b) Độ chặt của đất: Độ chặt của đất chỉ trạng thái sắp xếp các hạt đất ở mức độ xa

hay sít nhau (mật độ các hạt đất) Độ chặt có thể được đánh giá bằng ứng suất pháp

c) Khả năng chống nén của đất: Khả năng chống nén của đất là khả năng chống

biến dạng theo phương pháp tuyến Tính chống nén phụ thuộc vào ma sát trong và

ma sát giữa các hạt đất

d) Khả năng chống cắt đất: là khả năng được tạo bởi lực dính và nội lực giữa các

hạt cứng( do lực hút phân tử giữa các hạt và sức căng bề mặt giữa các hạt đất) Lựccản cắt được xác định theo các điều kiện cụ thể, còn lực cản cắt cực đại tính theo

định luật Culông:

Trong đó: T: lực cản của đất; N: lực pháp tuyến;

Khi gia công cơ giới ta thấy có các dạng tác động của máy đối với đất điển hình

là: Cắt, kéo, nén, tách, uốn, đập và di chuyển Tùy theo tính chất của đất, dạng cấutạo và chuyển động của bộ phận làm việc mà các nguyên tắc đó xẩy ra ở mức độnào mà hiệu quả sẽ khác nhau Việc xử lý các nguyên tắc tác động bằng cách thay

đổi cấu tạo dụng cụ tác động, chế độ tác động của dụng cụ sẽ dẫn đến hiệu quả chi

phí năng lượng khác nhau ( lực cản khác nhau) và đảm bảo tính chất, độ tơi xốp củađất khác nhau.

Lưỡi cắt tác dụng vào đất khi cắt, cũng như một số dạng cắt cơ bản của quá trình

liên hợp máy tác động vào đất, thành phần cơ bản tác dụng vào đất có dạng như mộtcái nêm Nêm là một vật thể hình học được cấu thành từ các yếu tố: Mũi nhọn, cạnhsắc, bề mặt làm việc Khi tính toán thiết kế các bộ phận tác động vào đất ta chú ý vềkết cấu và hình thức tác động vào đất sao cho tận dụng tối đa sự phá hủy đất do kéo

vì đất bình thường ta thấy:

[k] < [] < [N] (2.2)

Trong đó: [k]: là giới hạn ứng suất cho phép kéo của đất

Qua đây ta thấy sự phá hủy đất do nén vừa tốn năng lượng, mặt khác vừa gây mất

cấu trúc và tăng dung trọng của đất Do vậy khi tác động của lưỡi cắt vào đất nêntránh tạo ra ứng suất nén, lợi dụng ứng suất kéo rất nhỏ của đất

Một yếu tố ảnh hưởng rất lớn tới lực cản của lưỡi khoan là lực ma sát và lực dínhgiữa đất và lưỡi cắt, giữa đất và lưỡi cắt có tốc độ di chuyển khác nhau Năng lượngkhắc phục ma sát và dính lớn hay nhỏ phụ thuộc vào nguyên tắc phá vỡ đất, cácthông số hình học của lưỡi cắt, động học của bộ phận làm việc và tính chất đất.Giảm áp lực tiếp xúc, thời gian tiếp xúc, diện tích tiếp xúc giữa công cụ tác động với

đất sẽ giảm ma sát Cấu tạo và hướng di chuyển cắt của bộ phận tác động vào đất

(nêm) nó cũng ảnh hưởng rất nhiều tới lực tác động lên thỏi đất của dụng cụ cắt đất

e) Môđun biến dạng.

Để biểu thị tính biến dạng của đất người ta dùng các chỉ tiêu: Môđun biến dạng

Ebd, môđun đàn hồi Eđh Môđun biến dạng Ebd được tính theo công thức

đ I

D

P (12)

Trong đó: P: Áp suất của khuôn lên đất (N/cm2)

D: Đường kính của khuôn thử (cm)

I: Độ biến dạng toàn phần (cm)

µ: Hệ số Poatxong Đất hạt nhỏ µ = 0,35; Đất hạt lớn µ = 0,25

nên độ ẩm lúc này là độ ẩm tối ưu Khi độ ẩm của đất tăng nhanh, sức bền của đất

2.1.1.5 Yêu cầu kỹ thuật lâm sinh để tạo hố trồng cây trên đất dốc.

- Yêu cầu về kích thước hố.

Yêu cầu về kích thước hố rất khác nhau, tùy thuộc vào loại cây, loại đất và điềukiện địa hình Đối với việc tạo hố trồng rừng ở trên các đồi dốc hố thường được tạotheo đường đồng mức, vị trí giữa các hố được bố trí theo hình nanh sấu như hình 2.1

Hình 2.1: Dạng hố được bố trí theo đường đồng mức.

Hiện nay người ta đang quan tâm đến vấn đề dùng máy để đào hố thay cho việcdùng các công cụ thủ công như trước đây.

Quy cách hố phụ thuộc vào tính chất đặc điểm một số loại cây trồng, phương pháp

và mức độ đầu tư Kích thước hố tối thiểu cho một số loại cây được ghi ở bảng 2.1,[6]

Bảng 2.2: kích thước của hố trồng đối với một số loại cây

Loài cây Quy cách h ố trồng (cm)

Đây là yếu tố quan trọng để giúp cho cây trồng phát triển tốt hay xấu sau khi

trồng nhưng chỉ tiêu này thường ít ai để ý đến nên trong quá trình tính toán thiết kếcác máy tạo hố trồng cây trước đây độ nhỏ mịn của đất phụ thuộc vào loại đất làchính Nếu đất tạo ra nhỏ mịn quá thì sau khi cây được trồng vào khi gặp mưa thì

đất dưới gốc cây trong miệng hố bị nén chặt quá và sẽ làm cho cây không hô hấpđược dẫn đến cây sẽ bị chết hoặc còi cọc…

+ Yêu cầu về thành hố.

Chất lượng thành hố ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triểncủa cây trồng Do vậy yêu cầu đặt ra ở đây là thành hố không bị miết chặt quá Vì

thông thường các dạng tạo hố như khoan, thành hố bị miết chặt nên không những

công suất bị tiêu hao lớn mà cây khó ăn rễ vào đất khi trồng và quan trọng nhất đó

là nước không thoát ra được khỏi miệng hố và không ngấm vào đất khi có mưa lớn

2 3

1 4

2.1.2.Thiết bị nghiên cứu:

Từ những tồn tại của các thiết bị tạo hố trồng cây đã được phân tích ở Chương

1 Căn cứ vào đặc điểm của đất trồng rừng hiện nay, căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của

quá trình tạo hố trồng cây Dựa vào kết quả nghiên cứu thăm dò thử nghiệm chúng tôi

đề xuất mô hình máy tạo hố trồng cây sử dụng trên đất dốc như sau:

2.1.2.1 Sơ đồ nguyên lý cắt đất ở dạng búa.

Căn cứ vào yêu cầu của thiết bị là: Thiết bị gọn nhẹ, năng suất tạo hố lớn,

chất lượng hố đạt yêu cầu kỹ thuật Do vậy, thiết bị tạo hố trồng cây theo phươngpháp khoan hiện nay đang sử dụng là rất khó thực hiện với các lý do sau:

- Mũi khoan nhỏ thì dẫn đến kích thước hố không đạt yêu cầu kỹ thuật, mũikhoan lớn để hố đạt yêu cầu kỹ thuật thì lực cản lớn máy cầm tay không đủ công suất

- Lực cản của đất lớn, do độ chặt lớn nên đòi hỏi công suất của máy lớn, khicông suất máy tăng lên thì người không thể mang vác di chuyển ở trên độ dốc lớn

được Do vậy tạo hố theo phương pháp khoan là khó thực hiện trên điều kiện địa

hình dốc

Để khắc phục những tồn tại hạn chế của phương pháp khoan chúng tôi đề

xuất phương pháp tạo hố trồng cây bằng phương pháp cắt ở dạng búa

- Cấu tạo hệ thống cắt đất ở dạng búa được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2: Cấu tạo hệ thống cắt dạng búa

1 - Dao cắt

2 - Đĩa thép

3 - Trục

4 - Khớp quay

- Nguyên lý cắt đất dạng búa:

Hình 2.3 - Quá trình cắt đất dạng búa

a) Giai đoạn 1; b), giai đoạn 2; c) Giai đoạn 3

- Giai đoạn 1: Dao cắt đập vào đất với một động năng lớn làm phá hủy kết cấucủa đất nên quá trình cắt được thực hiện dễ dàng

- Giai đoạn 2: Đất sau khi bị cắt được lưỡi cắt kéo, đẩy đi theo chiều chuyển

động của dao cắt

- Giai đoạn 3: Đất sau khi được dao cắt kéo và đẩy đi thì được đưa ra khỏi hố

và một phần ít tung lên cùng với dao cắt

- Phân tích và tính toán quá trình cắt ở dạng búa được chúng tôi trình bầy ở

chương 3

2.1.2.2 Đề xuất thiết bị tạo hố trồng cây trên đất dốc.

Từ kết quả nghiên cứu nguyên lý cắt ở dạng búa, căn cứ vào yêu cầu của thiết bị

và đặc điểm của địa hình chúng tôi đề xuất mô hình thiết bị tạo hố trồng cây trên đất

dốc như sau:

Hình 2.4: Sơ đồ thiết bị tạo hố trồng cây trên đất dốc

1 Động cơ máy cắt bê tông 2 Bộ truyền đai 3 Đĩa thép 4 Bu lông lắp dao

5 Dao cắt đất 6 Bao che chắn đất

1

6

- Nguyên lý hoạt động của máy tạo hố trồng cây:

Nguồn động lực chúng tôi lựa chọn là máy cắt bê tông nó có công suất lớn

nhưng trọng lượng nhẹ, tốc độ cắt lớn rất phù hợp với các thiết bị cầm tay

Mô men quay từ trục cơ của động cơ truyền qua côn và truyềnchuyển động đến dây đai, qua bộ truyền dây đai là đĩa thép quay Trên đĩathép có lắp các dao cắt, dao cắt này quay xung quanh trục của nó Khichuyển động dao cắt gồm hai chuyển động là quay cùng với đĩa thép hai làquay xung quanh trục của nó tạo ra sung lực Khi cho dao tiếp xúc với đấtthì xung lực của dao biến thành lực cắt, do thời gian va chạm ngắn nên lựccắt tăng lên rất lớn, trên dao cắt có lưỡi cắt hình nêm (giống lưỡi cuốc đấtthủ công), với lực cắt lớn làm cho lưỡi cắt ăn sâu vào đất phá vỡ kết cấucủa đất đồng thời cùng với chuyển động của đĩa thép lưỡi cắt của dao cắttiến hành bẩy đất để phá vỡ kết cấu đất và kéo đất đi cùng dao cắt, mộtphần đất sau bị cắt tung lên cùng chuyển động của dao cắt Mỗi một vòngquay của đĩa thép thực hiện một quá trình cắt Nếu chúng ta tiếp tục chodao cắt ăn sâu vào đất chúng ta được hố cắt theo yêu cầu Đất sau khi cắt

được dao cắt đưa ra khỏi hố

Từ mô hình của thiết bị đã được trình bày trên chúng tôi cần giải quyết cácvấn đề sau:

- Nguyên lý cắt, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt;

- Tính toán lực cắt, lực cản cắt, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt

- Tính toán các thông số của hệ thống cắt, các thông số tối ưu của hệ thống cắt

- Rung động của thiết bị trong quá trình cắt ảnh hưởng của rung động tới sứckhoẻ công nhân;

- Công suất của động cơ, kết cấu của thiết bị;

- Công nghệ sử dụng thiết bị để tạo ra hố đạt yêu cầu kỹ thuật

2.2 Phương pháp nghiên cứu.

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong Đề tài là áp dụng phương pháp

nghiên cứu của lý thuyết cắt đất, cơ học đất, lý thuyết va chạm, cơ học máy và dao

động trong kỹ thuật Nội dung của phương pháp này có thể tóm tắt như sau:

Từ quá trình làm việc của thiết bị lập ra sơ đồ tính toán, sử dụng lý thuyết cơhọc để lập ra các phương trình tính toán lực cắt, hệ số cẳn cắt, Các phương trình dao

động của thiết bị Từ đó khảo sát sự phụ thuộc của các đại lượng nghiên cứu vào

các thông số ảnh hưởng để đưa ra kết luận cần thiết Nội dung của phương pháp này

được trình bày trong các tài liệu[13]; [17]; [20]; [40]

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

Phương pháp đo các đại lượng nghiên cứu trong Đề tài được thực hiện theophương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện Nội dung của phương pháp

này cũng như việc xử lý số liệu được trình bày trong các tài liệu [14]; [22]; [38]

Việc tổ chức thí nghiệm xác định chi phí năng lượng riêng và hệ số cản cắtcủa các loại đất được tiến hành theo phương pháp thống kê toán học và phươngpháp kế hoạch hoá thực nghiệm Việc lập kế hoạch và tổ chức thực nghiệm cũng

như việc xử lý các số liệu thí nghiệm được trình bày rõ trong tài liệu [16];[18]; [25];

[35]; [41] Do vậy ở đây cũng chỉ trình bày việc áp dụng các kết luận đó vào các bàitoán cụ thể của đề tài

Việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu nêu trên sẽ được trình bày cụ thể

ở các chương tiếp theo khi tiến hành nghiên cứu từng nội dung

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY TẠO HỐ TRỒNG CẨY

TRÊN ĐẤT DỐC

Như đã phân tích ở chương 1 Hiện nay các thiết bị tạo hố trồng cây chủ yếu

là sử dụng bằng phương pháp khoan hố Việc tính toán các loại thiết bị này dựa vàonguyên lý khoan đất Các thiết bị trên không phù hợp trên đất dốc Để tạo ra thiết bịmới đáp ứng yêu cầu là chi phí năng lượng riêng nhỏ, trọng lượng máy nhẹ, năngsuất cao chúng tôi thiết kế máy theo nguyên lý dạng búa

Để có cơ sở cho việc tính toán thiết kế máy chúng tôi phải xây dựng cơ sở lý

thuyết tính toán lực cắt, hệ số cản cắt, các thông số hình học của dao cắt, ảnh hưởngcủa các thông số đến lực cắt và chi phi năng lượng riêng

Phương pháp chung để nghỉên cứu nội dung này là dựa vào nguyên lý va đậptrong Cơ học, nguyên lý cắt đất, nguyên lý tính toán máy canh tác Để từ đó lập ra

các mô hình cơ học xác định lực tương tác giữa dao cắt với đất Sử dụng phươngpháp giải tích để lập các biểu thức quan hệ động học và động lực học của dao cắttrong quá trình chuyển động, thiết lập biểu thức tính lực cắt đất, lực tác dụng của

đất lên dao cắt, sau đó khảo sát các biểu thức lập được để xác định các yếu tố ảnhhưởng đến các đại lượng nghiên cứu

3.1 Khái quát về quá trình cắt đất.

3.1.1 Đặc điểm của quá trình cắt đất.

Cắt đất là quá trình cắt phức tạp, trong đó nhờ lực tác dụng trực tiếp của lựccắt mà phôi (đất) được phân chia nhằm tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thướcnhất định Đất là vật liệu có cấu tạo phức tạp không đồng nhất và không đẳng

hướng, nên trong quá trình cắt đất có một số đặc điểm sau:

- Thành phần cấu tạo đất là không đồng nhất, trong đất có hạt sỏi to, hạt sỏinhỏ, đất lẫn đá , cỏ, rễ cây Với những đặc điểm này làm cho lực cắt thay đổi rấtlớn dẫn đến công suất của động cơ tăng lên rất nhiều, từ đó động cơ có thể bị quátải Mặt khác khi lực cắt tăng lên tạo ra xung lực lớn tác động lên tay người điềukhiển gây ra hiện tượng rung động Từ đó làm cho công nhân vận hành thiết bị

chóng bị mệt mỏi, làm ảnh hưởng đến năng suất lao động Điều này cần phải nghiêncứu ra phương pháp cắt khi gặp đá, rễ cây mà lực cắt không tăng động cơ không bịquá tải.

- Đất có cấu tạo hạt, tính kết dính thấp nên ứng suất kéo, ứng suất trượt rấtnhỏ so với ứng suất nén, ứng suất cắt, điều này cần phải nghiên cứu ra phương phápcắt lợi dụng được ứng suất kéo, ứng suất trượt của đất, hạn chế tạo ra ứng suất nén

đó làm cho lưỡi cắt nhanh bị mài mòn, đặc điểm này ảnh hưởng đến việc tính toán

thông số của góc mài, góc cắt, vật liệu chế tạo lưỡi cắt, độ cứng vững của lưỡi cắt

3.1.2 Các dạng cắt đất trong khâu làm đất trồng rừng.

Cơ giới hoá làm đất trồng rừng hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới được

phân ra các dạng cắt sau:

- Cắt đất theo phương pháp cày (cày ngầm, cày lật đất)

- Cắt đất dạng phay ( chủ yếu sử dụng trong chăm sóc rừng)

- Cắt đất ở dạng khoan hố (Các máy khoan hố cầm tay và lắp sau máy kéo)

- Cắt đất ở dạng búa

Trong các dạng cắt đất trên thì cắt đất theo phương pháp cày, phay đất đã

được đề cập kỹ trong tài liệu “ Máy canh tác nông nghiệp”[27], cắt đất theo phương

pháp khoan hố đã được đề cập trong các công trình nghiên cứu [30]; [42] Còn cắt

đất ở dạng búa là phương pháp cắt đất mới được áp dụng trong tính toán thiết kế

máy tạo hố trồng cây mà đề tài này mới đề suất, các tài liệu, các nghiên cứu về

phương pháp này chưa có Sau đây chúng tôi phân tích, tính toán nguyên lý củaphương pháp cắt đất ở dạng búa

3.2 Nguyên lý cắt đất ở dạng búa.

Cắt đất ở dạng búa là dựa vào nguyên lý dùng động năng của dao cắt tácdụng xuống đất với xung lực lớn làm lưỡi cắt cắm sâu vào đất, sau đó dùng mô menbẩy thỏi đất tách ra khỏi phôi, đất sau khi tách ra được dao cắt kéo đi Để tạo đượcnguyên lý cắt như trên chúng tôi tiến hành xây dựng cơ sở động lực học của hệthống cắt đất dạng búa như sau:

3.2.1 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống cắt đất dạng búa.

- Sơ đồ động học của hệ thống cắt đất dạng búa được thể hiện trên hình 3.1

Hình 3.1: Cấu tạo của hệ thống cắt đất dạng búa.

1 Đĩa thép 2 Dao cắt 3 Lưỡi dao cắt

Cấu tạo hệ thống cắt rất đơn giản bao gồm một đĩa thép có đường kính giữahai trục để lắp dao là D Đĩa thép lắp trên một trục, trục nhận chuyển động quay từ

động cơ qua bộ truyền hoặc nối trực tiếp Trên đĩa thép có gắn trục để lắp dao cắt,

Trên đĩa thép có lắp lưỡi cắt có các thông số:α; - góc sau; β: - góc mài; : góc cắt.( hình 3.1b)

3.2.2 Nguyên lý c ắt đất ở dạng búa.

Dựa vào cấu tạo và chuyển động của hệ thống, quá trình cắt đất được chia

thành 5 giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Dao cắt chuyển động ở trên không chưa tiếp xúc với đất; do lực

ly tâm nên phương của dao cắt trùng với đường kính đi qua hai trục lắp dao Dao

một động năng lớn( hình 3.1)

- Giai đoạn 2: Dao cắt tiếp xúc với đất ( Cắt đất) khi cho dao cắt tiếp xúc với

đất với động năng lớn tại mũi dao xẩy ra xung lực va chạm lớn Với kết cấu mũi

dao có độ sắc nhất định, thời gian va chạm ngắn nên lực cắt rất lớn, mũi dao sẽ cắm

sâu vào đất( Hình 3.2a)



o

(b)



o1

(a)

- Giai đoạn 3: Bẩy và tách đất: sau khi lưỡi cắt cắm sâu vào trong đất Lúc

lực F do đĩa thép tạo ra, lực này có tác dụng bẩy thỏi đất đã cắt ra khỏi nền đất Quátrình bảy đất được thể hiện ở hình 3.2a ( Quá trình cắt và bẩy đất tương tự như cuốc

- Giai đoạn 5: Tung đất Sau khi kéo đất ra khỏi chỗ cắt một số ít đất nằm ở mặt

trong của lưỡi cắt chuyển động cùng với lưỡi cắt đến một quỹ đạo nhất định thì đất văng

ra khỏi lưỡi cắt chuyển động theo quán tính và rơi xuống Như vậy là một số ít đất đượctung lên chuyển động quay cùng dao cắt với vận tốc lớn Do vậy trong qua trình cắt đấtphải có bao che để chắn đất không bắn vào người sử dụng thiết bị

Nhận xét: Từ quá trình phân tích nguyên lý cắt đất dạng búa ở trên có một

số nhận xét sau:

SA

- Lợi dụng được động năng của dao cắt tạo ra xung lực lớn để phá vỡ kết cấucủa đất Từ đó chi phí năng lượng riêng cho quá trình cắt này là rất thấp, dẫn đếnnguồn động lực không cần phải có công suất lớn, nên giảm trọng lượng của thiết bị

và tăng năng suất của máy

- Lợi dụng được cánh tay đòn của dao cắt để bẩy đất nên tốn rất ít lực Mặt kháccũng lợi dụng được ứng suất tách rất nhỏ của đất để tách thỏi đất ra khỏi nền đất

(Giai đoạn 3 Bảy và tách đất)

- Năng suất cắt của hệ thống phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ, số daolắp trên đĩa ; càng nhiều dao thì năng suất càng lớn Để giảm công suất động cơ thì

ta phải tính toán sao cho một thời điểm chỉ có một dao cắt làm việc

- Khi gặp đá, gặp rễ cây, gốc cây thì lực cắt tăng lên đột ngột Nếu lực cắt dodao cắt tạo ra nhỏ hơn lực cản cắt thì dao cắt không ăn vào đất, nhưng do dao cắt

hưởng Đây là đặc điểm quan trọng của phương pháp cắt đất dạng búa, nó đã giải

quyết được khó khăn lớn nhất trong việc tạo hố trồng cây cho ngành Lâm nghiệp đó

là thích hợp với các loại đất nhiều đá, nhiều gốc cây, rễ cây Còn đối với các dạngcắt khác nếu gặp đá, gốc cây thì động cơ quá tải dẫn đến hoặc hỏng hệ thống cắt,hoặc hỏng động cơ

- Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này đó là: Rung động của thiết bị lớn

do va đập giữa dao cắt và đất Để hạn chế lực kích động gây rung cần phải nghiên

cứu thiết kế các thông số của lưỡi cắt sao cho lực cản cắt là nhỏ nhất, từ đó gia tốcrung là nhỏ nhất Mặt khác để khắc phục nhược điểm này chúng tôi đưa ra các giảipháp chống rung cho thiết bị

3.3 Động học và động lực học của quá trình cắt đất ở dạng búa.

3.3.1 Quan h ệ động học của qua trình cắt đất.

Căn cứ vào nguyên lý cắt đã được trình bày ở trên chúng tôi thiết lập sơ đồđộng học của hệ thống cắt đất và được thể hiện trên hình 3.3 Trong quá trình cắt,

dao thực hiện hai chuyển động:

- Chuyển động tương đối quay quanh điểm chốt O1với góc1(0

2





song song với mặt đất ở thời điểm dao tiếp xúc với đất và thời điểm dao ra khỏi đất(hình3.3a)

(c)(d)

Hình 3.4: Sơ đồ tính môn men động lượng

3.3.2 Quan h ệ động lực học của quá trình cắt đất

Xét chuyển động của dao, tại thời điểm tiếp đất và quá trình va chạm tại

điểm A đầu mũi dao hình 3.5 Gọi xung lượng va chạm tại mũi dao là SA, theo định

luật biến thiên động lượng và mô men động lượng đối với dao cắt chuyển động

quay điểm o ta có:

   11

Hình 3.5: Sơ đồ tính toán động lực học của hệ thống cắt đất dạng búa

Trong đó: U c, V oc- vận tốc của khối tâm (C) trước và sau va chạm;

M - khối lượng của dao;

1, 0

1

O

l

SAl

R 0

1

Vận tốc góc của dao sau va chạm: 0

1

R l

Xét ảnh hưởng giữa cấu tạo của dao với xung lượng va chạm

* Với dao có khối lượng phân bố đều theo chiều dài:

0 2

0 0

.3

;

5

.6

0 0

.16

;

.6

 

 

0 2

0 0

lượng dao (O1C) như hình 3.6 Trong đó chọn: R=15cm; l=11cm

Hình 3.6: Đồ thị tương quan giữa xung lực S A với khối lượng trọng tâm phân

bố trên chiều dài dao

Nhận xét: Từ đồ thị hình 3.6 có nhận xét sau:

- Xung lượng va đập phụ thuộc thuộc rất lớn vào sự phân bố khối lượngtrọng tâm trên chiều dài của dao cắt

cũng khá lớn Xung lượng này gây ra dao động cho thiết bị Do đó, cần tìm biệnpháp giảm rung cho thiết bị

S

1.0 9/16 1/3 1/16

SA

0 1 C

3.4 Quá trình cắt đất và di chuyển đất.

3.4.1 L ực cắt đất.

Với xung lượng của dao khi va đập vào đất được xác định như biểu thức(3.3) thì đất bị phá vỡ kết cấu do tải động Có thể xem nền đất là tấm đàn hồi đặt

dao A ngay trước thời điểm va chạm: vA= (R0+l)ω

Lực cắt đất trong va chạm này được xác định theo công thức tính tải trọng

đất Độ lún lcó thể được xác định bằng thí nghiệm với các loại đất mặt rừng trồng:

1( t)

Pmax= 02 1

o

j l

l

R 

1 0

( ) 1( t)

Trong đó: h- chiều sâu lưỡi cắt đi xuống đất;( m)

Nhận xét: Từ công thức (3.10) ta có nhận xét sau:

thấy có thể giảm được công suất động cơ mà năng suất cắt vẫn lớn

- Quá trình cắt dạng búa là rất phức tạp, có nhiều thông số đồng thời thamgia vào quá trình cắt Công thức tổng quát tính lực cắt theo phương pháp cắt dạng

búa (3.10) đã bao hàm các hệ số ảnh hưởng của các yếu tố, các hệ số này khác nhau

nên ảnh hưởng cũng khác nhau Quy luật ảnh hưởng của các yếu tố đến lực cắt đượcthể hiện trong công thức (3.10), kết quả tìm quy luật ảnh hưởng là căn cứ để lựachọn các thông só của hệ thống cắt và công suất động cơ

3.4.2 Chuyển động của dao cắt trong lòng hố.

chuyển động theo làm cho dao có chuyển động song phẳng: quay tương đối quanh

nên có xu hướng quay thuận kim đồng hồ (hình 3.7) làm cho mũi dao A luôn tỳ sátvào đáy hố Ta có thể tính được áp lực NAtheo phương trình cân bằng mômen trong

chuyển động tương đối:

Khi ; 0

2



    ở vị trí thấp nhất, áp lực lớn nhất của dao lên đáy hố được

công thức (3.10) thông số của lưỡi cắt như thế nào để lưỡi cắt tiến sâu vào trong đấtlớn nhất hay diện tích cắt là lớn nhất Để xác định lực tác dụng lên lưỡi cắt chúngtôi lập sơ đồ tính toán và thiết lập các công thức tính lực tác dụng của đất lên cácphần tử của lưỡi cắt

3.5.1 Sơ đồ tính toán lực tác dụng của đất lên lưỡi cắt.

Dựa vào nguyên lý cắt đất, cắt gọt gỗ và tre nứa [28]; [40] chúng tôi lập sơ

đồ tính toán lực tác dụng lên lưỡi cắt

Hình 3.8: Sơ đồ lực tác dụng lên lưỡi cắt.

C

Pm- Lực tác dụng lên mũi dao cắt;

Lực tác dụng của đất lên lưỡi dao cắt phân bố không đều, theo quy luật hìnhsin Ở mũi dao áp lực lớn nhất Để đơn giản trong tính toán chúng tôi giả thiết là áp lựctác dụng lên mũi phân bố đều, áp lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau là hình tam

giác Sau đây ta đi tính toán lực tác dụng lên mũi dao, mặt trước và mặt sau dao cắt

3.5.2 Lực tác dụng lên mũi dao cắt

a) Trên cung bn:

Các lực tác dụng lên mũi dao gồm có áp lực N và lực ma sát Fms giữa lưỡi cắt

tiếp giáp đất, các lực này phân bố khá phức tạp Theo tài liêu [28] và [32], áp lực

(N) của đất tác lên mũi lưỡi cắt được coi là phân bố hình cosin trên cung tiếp xúc

giữa đất và lưỡi cắt hình 3.8 Để đơn giản quá trình tính toán trong kỹ thuật quá

trình cắt đất được giả thiết là chúng phân bố đều với cường độ (p) trên cung tiếp xúc

lên mũi dao được trình bầy trên hình 3.9 Hợp lực (N) đi qua tâm O chia đôi cung



Nn



d