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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM ĐÀO HỮU ĐỒN NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG KÉO BÁM CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG XÍCH MÁY NƠNG NGHIỆP TỰ HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ĐÀO HỮU ĐỒN NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG KÉO BÁM CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG XÍCH MÁY NƠNG NGHIỆP TỰ HÀNH CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ : 62 52 01 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN NGỌC QUẾ PGS.TS NƠNG VĂN VÌN HÀ NỘI – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa dùng bảo vệ để lấy học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cám ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 05 tháng 01 năm 2015 Tác giả luận án Đào Hữu Đoàn i LỜI CẢM ƠN Với tất lòng chân thành, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế PGS.TS Nơng Văn Vìn, Học viện Nơng Nghiệp Việt Nam tận tình bảo, hướng dẫn giúp đỡ để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy ban lãnh đạo, tập thể cán giáo viên Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Ban Giám hiệu đơn vị, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Giám hiệu đơn vị, Trường Cao đẳng Nghề Bắc Giang giúp đỡ chuyên môn tạo điều kiện cho trình thực luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn nhà khoa học, bạn đồng nghiệp đặc biệt thành viên gia đình giúp đỡ, ủng hộ động viên để tơi hồn thành luận án Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Đào Hữu Đoàn ii MỤC LỤC L i i i i c i a i m i Tí M Đố Nh Ý Nh Ch ươ 1.1 Tí 1.1 1.1 1.2 Tổ 1.2 1.2 1.3 Ng 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.4 M 1.5 Kế 1v 3 3 6 1 2 2 3 3 Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1 Nghiên cứu lý thuyết 37 2.1.1 Phương pháp mơ hình hóa 37 2.1.2 Phương pháp xác định tính chất kéo bám máy kéo xích cứng 41 2.1.3 Phương pháp mơ hình hóa xác định tính chất kéo bám hệ thống di động xích mềm 44 2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 50 2.2.1 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm 50 2.2.2 Thực nghiệm xác định thông số đầu vào cho mơ hình nghiên cứu lý thuyết 2.2.3 2.3 52 Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất kéo bám máy kéo xích với hệ thống di động xích cao su 59 Kết Luận chương 63 Chương MƠ HÌNH LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT KÉO BÁM C 3.1 Ủ Đ 3.2 ặt M 3.2 3.2 ôM ôM 7 3.3 ôM ô 3.3 T 7 3.3 3.3 ín T ín T 7 3.3 3.3 íT Pí 8 3.4 hL 3.5 K h 3.5 T 3.5 hH ệ 3.5 M ột 3.6 K h tí n 3.6 Ản h 3.6 Ản h 3.6 Ản h 3.6 Ản h 3.7Kết luậ Ch ươ N 4.1Đặt vấn 4.2Xá c 4.2 Xá c 4.2 Xá c 4.3Ng hiê 4.3 Mơ hìn 4.3 Mơ hìn 4.3 Thi ết 4.3 Thi ết 4.3 Thi ết DA SY 4.4Qu y 4.5Kết 4.6Tín h 4.6 Xá c 4.6 Xử lý 4.6 So sán 4.7Kết luậ KẾT LUẬN Kết Để Danh mục Tài liệu Phụ lục 9 9 10 10 10 10 10 11 11 11 11 11 12 12 12 12 12 12 13 13 13 13 13 13 13 14 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT K ý Ứ hi ng α G óc σ Ứ η ng su γ s Tr ọn β G óc ωk V ận δ Đ ộ θf G óc θr G óc θt0 G óc a H ệ c0 H ệ c1 H ệ c2 H ệ CI C hỉ e Đ ộ e0 Đ ộ E1 N ăn E2 N ăn E3 N ăn E4 N ăn F L ực Fca L ực Fd L ực Fm L ax ự Fp P Đơ n k vị P R a k P a N / R a R a % R a R a R a / 2+1 c / -mNc1 m m k N k N k N k N k N k N k N k N k N G Trọng lượng xe (Tải trọng pháp) kN h Chiều cao vấu xích m hg Chiều cao tọa độ trọng tâm xe m j Khoảng trượt mấu xích m K Mô đun biến dạng cắt k1 Hệ số lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích - k2 Hệ số lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích - Kpc, Kpq Hệ số hàm góc ma sát đất Kr Tỷ lệ ứng suất tiếp dư τr ứng suất tiếp tối đa τmax Kω Khoảng trượt ứng suất tiếp đạt cực đại τmax mc Hệ số kết dính phụ thuộc loại đất tương tác với xích kPa mf Hệ số ma sát phụ thuộc loại đất tương tác với xích - MI Chỉ số di động Mk Mô men xoắn tác động lên bánh chủ động kNm MMP Áp suất tối đa trung bình kPa n1 Hệ số mũ lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích - n2 Hệ số mũ lún phụ thuộc loại đất tương tác với xích - Nc hệ số khả chịu lực Terzaghi c Nq hệ số khả chịu lực Terzaghi q Nγ hệ số khả chịu lực Terzaghi γ p Áp suất tiếp xúc dải xích kPa P1 Lực chủ động tác động lên phần dải xích kN pf Áp suất tiếp xúc dẫn hướng, kPa Pf Lực cản nén tác động theo chiều ngang độ sâu z phần kN trước xích pf0 Áp suất tiếp xúc tĩnh điểm trước tiên phần dải xích Pfb Lực thành phần lực đẩy Pk tác dụng lên đỉnh mấu phần bánh dẫn hướng Pk Tổng lực đẩy tác dụng vào dải xích chưa biến dạng vii kN kPa kN pm Áp suất tiếp xúc trung bình dải xích kPa Pm Lực chủ động có ích tác động theo chiều ngang qua điểm kN đặt lực móc kéo Pmb Lực thành phần Pk tác dụng lên đỉnh mấu phần dải xích kN Pms Lực thành phần Pk tác dụng cạnh mấu phần dải xích kN pr Áp suất bánh xích sau kPa pr0 Áp suất tiếp xúc tĩnh điểm sau phần dải xích bánh sau kPa Prb Lực thành phần Pk tác dụng lên đỉnh mấu phần kN Prs Lực thành phần Pk tác dụng lên cạnh máu phần bánh dẫn hướng kN Ps Tác dụng theo chiều dọc theo hàng bánh đè kN Psf Lực thành phần Pk tác dụng lên cạnh mấu phần bánh sau kN RCI kN Rc Lực cản đất Chỉ số nón danh nghĩa Rf Bán kính bánh dẫn hướng m RI Chỉ số nén lại Rk , Bán kính chia bánh chủ động m Rr Bán kính bánh sau m s0 Độ lún tĩnh dải xích m s0(X) Độ lún tĩnh điểm khảo sát X m sf0 Lượng lún tĩnh điểm đầu dải xích tiếp xúc với đất m sr0 Lượng lún tĩnh điểm sau dải xích tiếp xúc với đất m ss Độ lún trượt dải xích m t Bước vấu xích m T Lực căng xích kN T0 Lực căng xích ban đầu kN V Vận tốc thực xe m/s V’ Vận tốc lý thuyết m/s Vs Vận tốc trượt xe m/s W’ct Lực phá hỏng cắt cục dải xích kN LỤC PHỤPHỤLỤC 145 PHỤ LỤC ẢNH THÍ NGHIỆM Ảnh 1.Xác định trọng lượng, chiều cao trọng tâm, khoảng lệch trọng tâm xe B2010 Ảnh Mơ hình thí nghiệm triển khai trường 146 Ảnh 3.Các cảm biến lắp vào vị trí xe thí nghiệm 1-Cảm biến đo số vòng quay bánh chủ động nBS 2-Cảm biến đo số vòng quay trục bánh đà động ne 3-Cảm biến đo số vòng quay trục trung gian nTG 4-Cảm biến đo mo men trục trung gian MTG 5-Cảm biến đo số vòng quay bánh tựa đồng nTD Ảnh Lắp thiết bị đo lực kéo có ích vào móc kéo xe thí nghiệm 147 Ảnh Vệt xích xe thí nghiệm đất Ảnh Đo độ ẩm đất nơi làm thí nghiệm 148 Ảnh7 Tổ thí nghiệm đại biểu tham dự quan sát thí nghiệm chụp ảnh lưu niệm bên xe thí nghiệm b) a) Ảnh Lắp đặt thiết bị đo kiểm tra giãn dọc xích cao su -Nhìn theo hướng vng góc mặt phẳng đứng thân xe (a) - Nhìn theo hướng dọc thân xe (b) 1- Kích tạo lực, 2- cáp truyền tín hiệu đo từ cảm biến đến máy khuếch đại, 3- khớp nối cứng trục bánh với cánh tay đòn đặt lực 149 Ảnh Đo áp xuất pháp đất thí nghiệm 150 PHỤ LỤC VĂN BẢN CHƯƠNG TRÌNH MATLAB %=============================================================== % KHAO SAT LY THUYET TINH CHAT KEO BAM CUA MAY KEO XICH % file Name: Program_Chinh_Anh_huong_G.m % (thang 9/2013) % NCS: DAO HU DOAN % ============================================================== clc; clear all; close all; global id0V T0Xx T3phay T4phay MphayiX MangS0ix N dX chW mauw ky MT0X E1 E2 E3 E4 Ed W % ================== SO LIEU DAU VAO: ========================== % DON VIN DO: Luc [N], dai[cm],V[m/s] W00=10507; % Trong luong SU DUNG xe (So lieu goc) for iks=1:3 if iks==1 W = 18000; ky='3' ; end % Trong luong xe Khao sat W if iks==2 W = 14000; ky='2'; end if iks==3 W = 10507; ky='1'; end chW='(khi G= 10507; 14000; 18000 N)'; mauww=['b' 'r' 'k']; mauw = mauww(iks); hg = 25; %[cm]= Chieu cao tam D = 140; %[cm]= chieu dai tiep dat B = 35; %[cm]= be rong xich Rf = 6.5; %[cm]= ban kinh banh truoc Rk = 13; %[cm]= Ban kinh banh sa0 chu dong Rr = 9; %[cm]= Ban kinh banh sau % H = ; %[cm]= Chieu cao mau bam cm H0 = 6000; %[N] = Luc cang xich Ban dau; Gp = 9; %[cm]= Buoc vau xich e = 2; %[%] = Do lech tam ld = 88 ; %[cm]= khoang cach tu diem moc keo den duong thang di qua diem giua cua may keo hd = 38; %[cm]= Chieu cao diem moc keo Vphay= 1.500; %[m/s]= Toc vong cua banh chu dong(VT ly thuyet) pm = W/(2*B*D); %[N/cm2]= ap suat tiep xuc trung binh pm0 = pm; k1=0.49147; k2=0.56107; n2=0.8001; mc=0.46387; a=0.2011; c0=0.1481; c1=0.8491; c2=0.3272; mf=0.3630; n1=0.8664; k3=30.3; k4=30.3; n4=0.632; % ============================================================== tam1=1000; tam2=0; dT=0.001; % Buoc bien thien i=0; n1=n1*0.5; while (abs(tam1-tam2)>50) i=i+1; Rp = D/5; e=e/100; % if ky=='3' sf0=4.5556; ds=0.001; sm=5.5; end if ky=='2' sf0=3.73; ds=0.001; sm=3.96; end if ky=='1' sf0=3.152; ds=0.001; sm=3.5; end 151 %G=18000 %G=14000 %G=10507 p0= k1*H^n1; sr0=sm+i*ds; teta0= atan((sr0-sf0)/D); e0 = e+(hg+H)*tan(teta0)/D; Teta0=teta0*180/pi; pf0=p0 + k2*(sf0-H)^n2; pr0=p0 + k2*(sr0-H)^n2; tam1=W*cos(teta0); tam2=2*B*D*p0+(2*k2*B*D/(n2+1))*((sr0-H)^(n2+1)-(sf0H)^(n2+1))/(sr0-sf0); test = tam1-tam2; end % ============================================================== x=0:0.01:D; s0x= sf0 + (sr0-sf0)*x./D; p0x=p0 +k2*(s0x - H).^n2; tetati=teta0; T3i=0.001; i=0; dR=0.1 ; E1=[]; E2=[]; E3=[]; E4=[]; Ed=[]; for i=1: 600 %=600 diem tinh id0= i*dR; id= id0/100; tetai=teta0; idphay=1-(1-id)/cos(tetati); jB=id*D/(1-id); dX=0.1; N= round(D/dX); TPpiX=0; TPtmX=0; MangTP=[0]; MangtmX=[0]; for i2=1:N X= i2*dX; XV(i2)=X; s0iX = sf0+(sr0-sf0)*(X/D); piX = k1*H.^n1 + k2*(s0iX - H).^n2; PIX1(i2)=piX; jx = jB + idphay*X; tmX = (mc + mf*piX)*(1-exp(-a*(jB + idphay*X))); TmX(i2)=2*B*tmX; TmS(i2)= 4*H*(mc + mf*piX/pi*acot(H/B))*(1-exp(a*(jB+idphay*X))); %Luu vao mang TPpiX=TPpiX+piX*dX; TPtmX=TPtmX+tmX*dX; MangTP=[MangTP TPpiX]; MangtmX=[MangtmX TPtmX]; end MangHieuTP=[0]; MangTX=[0]; MangKQ=[0]; MangKQ2=[0]; MangS0ix=[3]; MphayiX=[0]; MT0X=[0]; MtphaymX=[0]; XM1=round(0.492*Rp/dX); Xm1=XM1*dX; Mangpphay=[0]; tpphayix=0; MangX2=[0]; 152 tpiX2=0; Mangtam=[0]; TpphaymX=0; MangtphaymX=[0]; TpphaymS=0; MangTpphaymS=[0]; for ih=2:N Xh=ih*dX; XVV(ih)=X; HieuTP=B*(MangTP(XM1)-MangTP(ih)); MangHieuTP=[MangHieuTP HieuTP]; TX=H0+B*MangtmX(ih); MangTX=[MangTX TX]; % - Doi dau neu ih >XM -if ih>Xm1 KQ=(Xm1-Xh)*(MangHieuTP(ih)/((-1)*MangTX(ih))); end if MangTX(ih)==0 KQ=0; else KQ=(Xm1-Xh)*(MangHieuTP(ih)/MangTX(ih)); end % Luu KQ phep chia vao mang KQ -MangKQ=[MangKQ KQ]; if (ih round(Rp/dX) if mod((ih-1),round(Rp/dX))==0 tam=ih; end s0iXm1 = (((sr0-sf0)*Xm1)/D+sf0)-MangKQ(tam); end if mod(ih,round(Rp/dX))==0 XM1=round(XM1+Rp/dX); Xm1=XM1*dX; end sphay0iX=(MangKQ(ih)+s0iXm1-((sr0-sf0)/D)*(Xm1-Xh)); MangS0ix=[MangS0ix sphay0iX]; % % Tinh tich phan pphayiX va luu vao mang Mangpphay pphayiX=k1*H^n1+k2*(sphay0iX-H)^n2; PIX11(ih)=pphayiX; ppphayXX(ih)=real(pphayiX); MphayiX=[MphayiX ppphayXX(ih)]; jf= jB + idphay*X; tphaymX = (mc + mf*pphayiX)*(1-exp(-a*jf)); TpphaymX =real(TpphaymX + tphaymX*dX); MangtphaymX=[MangtphaymX TpphaymX]; MangtphaymX(ih)=2*B*MangtphaymX(ih); MtphaymX=[MtphaymX TpphaymX]; TphaymS= 4*H*(mc + mf*pphayiX/pi*acot(H/B))*(1-exp(-a*(jf))); TpphaymS = real(TpphaymS+TphaymS*dX); MangTpphaymS=[MangTpphaymS TpphaymS]; T0X(ih)=H0+B*MtphaymX(ih); end MT0X=[MT0X T0X]; TphaymXX(i) = MangtphaymX(N); 153 TphaymSS(i) = MangTpphaymS(N); T0Xx(i)=MT0X(N); Tmbb=trapz(XV,TmX); Tmss=trapz(XV,TmS); TPtmXX(i2)=real(Tmbb); XX(i2)=X; id0V(i)=id0; Tmb(i)=real(Tmbb); Tms(i)=real(Tmss); pphayiXX(ih)= real(pphayiX); XXX(ih)=X; tetat0i= teta0; %arctan((sr0-sf0)/D); tetaf0 =acos(cos(tetat0i)-sf0*cos(tetat0i)/(Rf+H))-tetat0i; dT=0.01; kk=tetaf0/dT; M=round(kk); for i3= 1:M teta= i3*dT; tetamV(i3)= teta; %luu lai sf0iteta = (Rf+H)*(cos(teta+tetat0i)-cos(tetaf0tetat0i))/cos(teta+tetat0i); %pfiteta = k1*H^n1 + k2*(sf0iteta -H)^n2; pfiteta=k1*(sf0iteta)^n1; pfitetaV(i3)= pfiteta; jfteta = (Rf+H)*((tetaf0 - teta)-(1-id)*(sin(tetaf0+teta)sin(teta + tetat0i))); tfiteta = (mc + mf*pfiteta)*(1-exp(-a*jfteta)); tfitetatphan(i3) = tfiteta*cos(teta) - pfiteta*sin(teta); tfsteta = 4*H*(mc+mf*pfiteta/pi*acot(H/B))*(1-exp(-a*jfteta)); tfstetatphan(i3)= tfsteta*cos(teta); tetatphan(i3)= teta; end Tfbb = 2*B*(Rf+H)*trapz(tetatphan,tfitetatphan); Tfss=(Rf+H)*trapz(tetatphan,tfstetatphan); Tfb(i)=real(Tfbb); Tfs(i)=real(Tfss); tetar0i= teta0; %arctan((sr0-sf0)/D); tetar0 = tetar0i; ddelta =0.001; n= round(tetar0/ddelta); for i4= 1:n deltatphan(i4) = i4*ddelta; delta= i4*ddelta; sr0idelta=((Rr+H)*(cos(tetat0i)-cos(tetaf0+tetat0i))+ D*sin(tetat0i)+(Rr+H)*(cos(delta)cos(tetat0i)))/cos(delta); jrdelta =( Rr+H)*((tetat0i-delta)-(1-id)*sin(tetat0i)sin(delta)); pridelta = k1*H^n1 + k2*(sr0idelta-H)^n2; trdelta = (mc+mf*pridelta)*(1-exp(-a*jrdelta)); trdeltatphan(i4)= trdelta*cos(tetat0i-delta) + pridelta*sin(tetat0i-delta); trsdelta= 4*H*(mc+mf*pridelta*acot(H/B)/pi)*(1-exp(a*jrdelta)); trsdeltatphan(i4)=trsdelta*cos(tetar0i - delta); end Trbb= 2*B*(Rr+H)*trapz(deltatphan,trdeltatphan); Trss= (Rr+H)*trapz(deltatphan,trsdeltatphan); Trb(i)=real(Trbb); Trs(i)=real(Trss); T3(i)= Tmb(i)+Tms(i)+Tfb(i)+ Tfs(i)+Trb(i)+Trs(i); %=========================== TINH T2 =========================== tetat0i= teta0; %arctan((sr0-sf0)/D); tetaf0 =acos(cos(tetat0i)-sf0*cos(tetat0i)/(Rf+H))-tetat0i; jfs= (Rr +H)*sin(tetaf0)*id/(1-id); Tongf=0; dT=0.01; M= round(tetaf0/dT); for m=1:M tetam = tetaf0*(1-m/M); sf0itetam= (Rf + H)*(cos(tetam + teta0) - cos(tetaf0 + teta0))/cos(tetam + teta0); sfi= (sf0 + sf0itetam)*cos(teta0); pfitetam= k1*H^n1 + k2*(sfi - H)^n2; PFteta(m)=pfitetam; Tongf = Tongf + c0*((pfitetam*cos(tetam))^c1 * ((m/M*jfs)^c2 - ((m-1)/M*jfs)^c2)); end sfs= Tongf; idphay= 1- (1-id)/cos(teta0); js= idphay*D/(1-idphay); Tongr=0; %dX=0.1; N= round(D/dX); for n=1:N % CHUA DUNG X= n*D/N; s0iX = sf0+(sr0-sf0)*(X/D); piX = k1*H.^n1 + k2*(s0iX - H).^n2; PIX(n)=piX; Tongr = Tongr + c0*(piX*n*D/N)^c1 *((n*js/N)^c2 - ((n1)*js/N)^c2); end srs = sfs + Tongr; sri= (sr0 + srs)*cos(teta0); T2(i)= 2*k1*B*H^(n1+1)/(n1+1) + 2*k1*B*H^n1*(sri - H) + 2*k2*B/(n2+2)*(sri-H)^(n2+1); %===================== TINH Cong suat vaf Hieu suat ================ Vt= Vphay ; % m/s - Van toc ly thuyet V= Vt*(1- id) ; % m/s - Van toc thuc te T1 (i) = T3(i); T4(i)= T3(i)/cos(teta0) - W*tan(teta0) - T2(i); P(i)= W/cos(teta0) - T3(i)*tan(teta0); tetati=asin((sri-sfi)/D); z(i)=sri-(T2(i)*(Rr+(hd-Rr)*cos(tetati)-(ld-0.5*D)*sin(tetati)) W*(hg*sin(tetati)-D*(0.5e)*cos(tetati)))/(T2(i)+W*cos(tetati)/ tan(tetati)); E1(i)= T3(i)*Vt/1000; % kW - Cong suat chu dong E2(i)= T2(i)*V/1000 ; % kW - Cong suat chi phi cho luc can E3(i)= (T3(i)*(1/(1-id) - 1/cos(teta0))*V + W*V*tan(teta0))/1000; if T4