Nghiên cứu xác định lực cản cày ngầm trên đất lâm nghiệp

Luận văn

Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 1 - Lời cam đoan Lời cam đoanLời cam đoan Lời cam đoan Tôi xin cam đoan, những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và cha hề đợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đ đợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ đợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Đinh Quang Vinh Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 2 - Lời cảm ơn Lời cảm ơnLời cảm ơn Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện đề tài này, tôi đ nhận đợc sự hớng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Cơ Điện và các thầy cô trong trờng. Nhân dịp này, cho phép tôi đợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến: Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Bùi Hải Triều đ chỉ bảo từ việc định hớng ban đầu, giải quyết từng nội dung đề tài, đến sửa đổi những sai sót để hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, giáo viên bộ môn Động Lực - Khoa Cơ Điện và toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Điện - Trờng Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo đ trực tiếp giảng dạy tôi trong quá trình học tập tại trờng và các thầy cô giáo Khoa Sau Đại Học - Trờng Đại học nông nghiệp I - Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô Khoa Cơ Khí - Trờng Cao đẳng nghề cơ khí nông nghiệp đ tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình giúp đỡ của gia đình và ngời thân đặc biệt là vợ tôi đ luôn luôn động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới tất cả những tập thể và cá nhân đ dành cho tôi mọi sự giúp đỡ quý báu trong quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả Đinh Quang Vinh Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 3 - Mục lục mở đầu 1 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1. Tình hình cơ giới hoá làm đất lâm nghiệp . 1.1.1 Cơ giới hoá làm đất trồng rừng trên thế giới 1.1.2. Đặc điểm tình hình cơ giới hoá làm đất trồng rừng trong nớc 3 3 3 4 1.2. Kỹ thuật và thiết bị cày ngầm . 1.2.1. Khái quát về thiết bị cày ngầm 1.2.2. Kỹ thuật cày ngầm . 7 7 9 1.3. Tình hình nghiên cứu về lực cản cày 13 1.4. Phơng pháp xác định lực cản cày bằng thực nghiệm 19 1.5. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 21 2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết 2.1. Phân tích lực tác dụng lên LHM khi cày 2.1.1. Sơ bộ kết cấu của máy cày ngầm . 2.1.2. Mô hình tính toán của máy cày . 2.1.3. Lực của đất tác dụng vào cày ngầm . 2.1.4. Tiết diện rnh đất đợc phá vỡ bởi một thân cày không lật . 22 22 22 23 24 25 2.2. ảnh hởng các yếu tố cấu trúc và sử dụng đến lực cản cày ngầm 2.2.1. Các yếu tố ảnh hởng đến lực cản cày 2.2.2. Cấu trúc và tình trạng kỹ thuật của cày . 2.2.3. Các yếu tố về sử dụng 28 28 29 30 2.3. Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu treo . 2.3.1. Tính lực tác động vào một thân cày 2.3.2. Các thông số hình học của máy cày . 2.3.3. Hệ phơng trình cân bằng lực và mô men cơ cấu treo . 31 31 33 35 2.4. Thiết kế cải tiến cơ cấu treo để đo lực cản cày ngầm 38 Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 4 - 2.4.1. Đo lực cản cày ngầm bằng phơng pháp điện trở biến dạng . 2.4.2. Thiết kế lại các thanh treo của cơ cấu treo hình bình hành 38 39 3. Nghiên cứu th ực nghiệm 3.1. Lựa chọn liên hợp máy thí nghiệm . 46 46 3.2. Xây dựng hệ thống đo, phơng pháp đo . 3.2.1. Yêu cầu đối với thiết bị đo . 3.2.2. Lựa chọn cảm biến . 3.2.3. Nguyên lý và cấu tạo của cảm biến dùng trong thí nghiệm . 3.2.4. Phơng pháp xử lý tín hiệu đo . 3.2.5. Xây dựng hệ thống đo đa kênh để xác định lực cản cày ngầm. 48 48 49 50 62 62 3.3. Xây dựng kế hoạch thí nghiệm và chơng trình thí nghiệm . 63 3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm . 69 3.4.1.Tổng hợp các thành phần lực cản P CX , P CZ từ các tín hiệu đo trên các thanh treo 69 3.4.2. Phân tích ảnh hởng của một số yếu tố đến giá trị trung bình của các thành phần lực cản cày ngầm P CX , P CZ . 3.4.3. Phân tích biến thiên của các thành phần lực cản cày. 70 76 kết luận và đề nghị Kết luận Đề nghị . Tài liệu tham khảo 82 82 83 84 Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 5 - Mở đầu ở nớc ta, diện tích đất lâm nghiệp là 17.112.000 ha chiếm 51.1% diện tích tự nhiên của cả nớc [16]. Trong đó diện tích đất trống đồi núi trọc hiện nay là 13.440.494 ha chiếm hơn 40% so với tổng diện tích tự nhiên của cả nớc [16]. Do vậy, trồng rừng phủ xanh đất trống đồi núi trọc có một ý nghĩa rất quan trọng trong đời sống kinh tế - x hội cũng nh trong lĩnh vực bảo vệ tài nguyên môi trờng của Việt Nam và thế giới. Trong những năm gần đây, Đảng và Nhà nớc ta đ hết sức quan tâm đến công tác trồng rừng và phát triển Lâm nghiệp, nhiều chơng trình, dự án cho trồng rừng và phát triển Lâm nghiệp đ đợc đầu t, nhằm sử dụng tốt hơn tiềm năng to lớn về điều kiện tự nhiên và đất đai của ngành Lâm nghiệp nớc ta. Song, hiệu quả của công tác trồng rừng cha cao, tỷ lệ cây sống và thành rừng cũng nh tốc độ tăng trởng của cây rừng còn thấp. Một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hậu quả trên là do chất lợng của khâu làm đất trồng rừng cha tốt, việc quan tâm đầu t cho khâu làm đất cũng cha tơng xứng với tầm quan trọng của nó. Làm đất trong quy trình trồng rừng là một khâu nặng nhọc, đòi hỏi chi phí năng lợng nhiều nhất. Trên những vùng đất trống đồi núi trọc, đất bị laterite hoá mạnh, tầng đất bị chai cứng, việc cơ giới hoá khâu làm đất có một ý nghĩa rất quan trọng: - Làm thay đổi cơ lý tính của đất có lợi cho cây trồng, tăng tỷ lệ sống và tốc độ tăng trởng của rừng trồng. - Cơ giới hoá khâu làm đất trồng rừng còn góp phần cải tạo đất, diệt trừ cỏ dại, hạn chế xói mòn và phòng chống cháy Ngoài ra làm đất bằng cơ giới còn có tác dụng làm Nông Lâm kết hợp, phát triển vờn rừng góp phần nâng cao hệ số sử dụng đất và làm tăng thu nhập cho ngời lao động trên đất trồng rừng. Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 6 - Vì những lý do đó nên làm đất trồng rừng không thể bằng thủ công, đặc biệt là đối với rừng trồng thâm canh. Vấn đề cơ giới hoá làm đất trồng rừng đ đợc đề ra ngay từ khi ngành Lâm nghiệp mới thành lập năm 1960. Một số biện pháp kỹ thuật và công cụ làm đất trồng rừng đ đợc nghiên cứu áp dụng. Trong đó khâu cày là một khâu không thể thiếu đợc trong quy trình cơ giới hoá làm đất trồng rừng. Cày cũng là một khâu có tính chất quyết định đến chất lợng làm đất, đây là khâu cuối cùng trong công đoạn chuẩn bị đất trồng. Với đặc điểm đất đai và cây trồng trong Lâm nghiệp rất đa dạng và phong phú, đòi hỏi khâu làm đất nói chung và khâu cày nói riêng phải đợc nghiên cứu lựa chọn công cụ máy móc cũng nh áp dụng các biện pháp kỹ thuật hợp lý nhất, đáp ứng đợc những yêu cầu và mục đích trồng rừng của từng vùng. Mặc dù đ có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nớc về vấn đề sử dụng của máy kéo trong quá trình làm đất trồng rừng, nhng do tính chất phức tạp của quá trình làm việc và sự đa dạng của điều kiện sử dụng, đến nay còn nhiều vấn đề còn cần đợc tìm hiểu bổ xung. Trong thực tế việc sử dụng còn nhiều trở ngại chi phí nhiên liệu cao, năng suất thấp, điều kiện ổn định không đảm bảo . gây trở ngại cho yêu cầu đặt ra khi áp dụng cơ giới vào sản xuất. Đảm bảo tính ổn định làm việc, giảm chi phí năng lợng riêng và tăng năng suất khi sử dụng. Xuất phát từ tình hình trên, đợc sự giúp đỡ của PGS.TS Bùi Hải Triều tôi lựa chọn đề tài: Nghiên cứu xác định lực cản cày ngầm trên đất lâm nghiệp Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 7 - 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1. Tình hình cơ giới hoá làm đất lâm nghiệp 1.1.1. Cơ giới hoá làm đất trồng rừng trên thế giới Cơ giới hoá làm đất trồng rừng ở một số nớc tiên tiến trên thế giới đ đợc tiến hành khá toàn diện từ khâu chuẩn bị đất trồng cho đến các khâu trồng, gieo ơm, chăm sóc, Hệ thống công cụ máy móc cũng đợc trang bị khá đồng bộ và hợp lý cho từng điều kiện tự nhiên của mỗi nớc. Các chủng loại máy kéo có công suất lớn và hiện đại nh Fiat, Komatsu, Bofort, TZ-171, T-130 đ đợc trang bị cho khâu làm đất trồng rừng. ở nhiều Quốc gia trên thế giới nhất là các nớc phát triển nh Mỹ, Australia, Liên Xô cũ, Thuỵ Điển, Đức, Canada, Brazil . công việc làm đất trồng và chăm sóc rừng chủ yếu đợc thực hiện bằng cơ giới. Các chủng loại máy kéo có công suất lớn và hiện đại nh Fiat, Komatsu, Bofort, TZ-171, T- 130 với thiết bị chuyên dụng ben ủi, răng rà rễ, máy phát dọn thực bì, ruller có gắn lỡi cắt lăn băm nát lớp thực bì .; cày ngầm theo rạch, cày lật, phay đất . đ đợc sử dụng khá phổ biến để thực hiện các khâu canh tác trong lâm nghiệp. ở nhiều nớc đ trang bị các máy móc, thiết bị chuyên dùng cho khâu làm đất nh máy đào gốc, khung rà rễ, máy băm thái cho khâu xử lý thực bì. Với khâu cày thì đ sử dụng các loại cày chuyên dùng khác nhau cho từng công việc nh cày ngầm có độ sâu từ 80 - 90 cm, cày chảo, thậm chí ở Brazil ngời ta đ sử dụng cày ngầm có độ sâu trên 1m để cày đất trồng rừng làm cho tốc độ tăng trởng của rừng trồng tăng nhanh đáng kể. Những năm gần đây, ở Brazil, Công Gô, Indonêxia, Malaysia đ sử dụng liên hợp máy cày ngầm với máy kéo xích Komatsu có công suất trên 200 ml để làm đất trồng rừng. Rừng trồng Bạch đàn cao sản ở Brazil, sử dụng liên hợp máy kéo Komatsu với cày ngầm có công suất lớn để làm đất, độ sâu Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 8 - cày tới 80 - 90cm và năng suất rừng đạt trên 50 m 3 /ha năm. Một số nơi có địa hình phức tạp đ sử dụng máy khoan hố chạy bằng động cơ xăng hoặc lắp sau máy kéo công suất nhỏ để khoan hố trồng cây. Gần đây các liên hợp máy (LHM) kéo bánh bơm có công suất vừa và nhỏ nh Kubota của Nhật, Lemken của Đức với các máy canh tác kèm theo đ đợc sử dụng khá rộng ri cho làm vờn và chăm sóc rừng. Nhiều công trình nghiên cứu cũng nh những thành tựu khoa học tiên tiến đ đợc áp dụng cho sản xuất phù hợp với điều kiện sản xuất tự nhiên của từng nớc đem lại hiệu quả kinh tế cao. 1.1.2. Đặc điểm tình hình cơ giới hoá làm đất trồng rừng trong nớc ở nớc ta, các khâu canh tác trong lâm nghiệp đ đợc nghiên cứu áp dụng với nhiều phơng thức và mức độ khác nhau nhằm nâng cao năng suất, chất lợng các khâu công việc trong sản xuất. ở miền Bắc ngay từ những năm 1960 - 1970 khi phong trào trồng cây gây rừng phát triển mạnh thì việc làm đất trồng rừng bằng cơ giới cũng đ đợc áp dụng. Máy khoan hố Molorobot (của Tiệp Khắc), ES - 35B (của C.H.D.C Đức), cày nKb - 2 - 54M (Liên Xô cũ) móc sau máy kéo DT - 54A, cày toàn diện và theo đờng đồng mức trên sờn đồi để làm đất trồng rừng bạch đàn đ đợc áp dụng ở nhiều tỉnh phía Bắc. Giai đoạn 1971 - 1980 ngành cơ giới trồng rừng đ nghiên cứu áp dụng đa máy ủi DT - 75 và T - 100 để làm bậc thang trên đồi trọc có độ dốc từ 15 ữ 30 0 . Sau đó để đáp ứng yêu cầu làm đất trồng rừng ngày càng phát triển của ngành Lâm Nghiệp, PGS TS Nguyễn Thanh Quế đ nghiên cứu và chế tạo thành công cày ngầm CN - 1 và CN - 2. Cày CN - 1 và CN - 2 đợc móc sau máy kéo DT - 54 và DT - 75, độ cày sâu đạt 40 - 45 cm đ đợc đa vào sản xuất. Cày ngầm CNS 70 KT lắp theo máy kéo T - 130 và CNS 70 KV lắp theo máy kéo Komatsu D65A khảo nghiệm và đ đợc đa vào sản xuất. Những năm gần đây, cơ giới làm đất trồng rừng đ phát triển lên một Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 9 - bớc cao hơn, nhiều thiết bị máy móc hiện đại đ đợc nhập bổ sung và thay thế cho các công cụ đ lạc hậu. Các máy kéo có công suất lớn nh T - 130 (Liên Xô cũ), Komatsu D53A, D53P, D65A, D85A (Nhật Bản), TZ - 171 của Liên Xô đ đợc sử dụng làm đất trồng rừng hàng vạn hecta ở cả miền Bắc, miền Trung, Tây Nguyên và Đông Nam bộ. Để nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị cơ giới trong canh tác lâm nghiệp nói chung và làm đất trồng rừng nói riêng TS. Phạm Quí Đôn đ tiến hành nghiên cứu khả năng sử dụng của một số thiết bị thông dụng ở Việt Nam để làm đất trồng rừng trên sờn dốc đồi trọc miền Bắc Việt Nam, nhằm xác định đợc hệ thống thiết bị máy móc phù hợp với điều kiện canh tác. Nhng kết quả nghiên cứu mới chỉ đánh giá lựa chọn trong các thiết bị thông dụng sẵn có ở Việt Nam chứ cha đi sâu nghiên cứu để hoàn thiện liên hợp máy. Về việc chăm sóc rừng thì cày chăm sóc CTC 6 - 35 do TS. Phạm Quí Đôn nghiên cứu thiết kế và chế tạo lắp sau máy kéo Zetor 6911 và DT - 75 để sử dụng chăm sóc rừng trồng đạt kết quả khá tốt. Liên hợp máy đợc thành lập khá linh hoạt, có thể điều chỉnh số thân cày, cự ly luống cày phù hợp với điều kiện sử dụng và yêu cầu kỹ thuật lâm sinh. Song đây là loại cày làm việc theo nguyên lý của cày lật đất vun gốc giữa hai hàng cây cho nên chỉ có thể sử dụng có hiệu quả trên địa hình bằng phẳng. Nhìn chung ở nớc ta những nghiên cứu áp dụng kỹ thuật cơ giới chăm sóc rừng cha nhiều, thiết bị chủ yếu đợc nghiên cứu áp dụng là LHM kéo bánh bơm với cày lật, cày chảo trên các địa hình bằng phẳng. Cha có nghiên cứu sử dụng cày không lật để chăm sóc rừng. Trong khi đó cày không lật là loại công cụ có thể canh tác trên các dạng địa hình, độ dốc khác nhau, tiết kiệm năng lợng cày và ít làm xáo trộn lớp đất mặt, hạn chế đợc rửa trôi xói mòn. Khâu cày đất trồng rừng mới chỉ sử dụng cày ngầm lỡi dạng mũi đục theo các mẫu máy trớc đây mà cha đi sâu nghiên cứu sử dụng cày ngầm với các kết cấu hình dạng khác nhau mũi cày hình nêm, mũi tên có bề rộng làm Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut- 10 - việc khác nhau để tăng khả năng phá vỡ đất, nâng cao độ tơi xốp của đất trong rnh cày, tạo điều kiện cho cây trồng sinh trởng và phát triển tốt. Liên hợp máy kéo xích - cày ngầm dùng để làm đất trồng rừng cũng đ đợc một số tác giả quan tâm nghiên cứu nh đề tài Nghiên cứu một số tính chất sử dụng của liên hợp máy cày làm đất trồng rừng ở tỉnh Vĩnh Phúc của ThS. Đoàn Văn Thu[16] và đặc biệt luận án của TS. Nguyễn Can Nghiên cứu một số thông số ổn định ngang của liên hợp máy kéo xích - cày ngầm khi làm việc trên đất dốc miền Bắc Việt Nam[1]. Những đóng góp của kết quả nghiên cứu đ phần nào bổ sung hoàn thiện cấu trúc và lựa chọn chế độ sử dụng thích hợp, nâng cao hiệu quả sử dụng liên hợp máy. Tuy vậy, các nghiên cứu này mới chỉ giải quyết đợc từng phần của LHM nghiên cứu, cha đề xuất đợc mô hình LHM hoàn chỉnh theo hớng tối u hoá. Làm đất trồng rừng theo phơng pháp phát dọn + cuốc lấp hố thủ công. Theo định mức kinh tế kỹ thuật trồng rừng năm 1988 của bộ lâm nghiệp, số công lao động cho 1 ha làm đất trồng rừng bạch đàn ở vùng Đông Bắc Bộ là: - Phát dọn thực bì (cấp 2) 38,9 công - Đào hố 23,9 công - Lấp hố 10,4 công - Công gián tiếp ( quản lý, phục vụ) 17,8 công Tổng cộng 91 công Làm theo phơng thức phát dọn, san bậc thang cuốc lấp hố để trồng rừng: - Phát dọn thực bì 28 công - Cuốc, san thành bậc thang 100 công - Đào hố 30 công - Lấp hố 11 công - Công gián tiếp 27 công Tổng cộng 196 công