Nghiên cứu thực nghiệm

- Xác định tọa độ trọng tâm của liên hợp máy;

- Xác định mô men xoắn của trục thu công suất truyền động cho máy phay đất; - Xác định độ trượt của máy khi cày và phay đất.

30

2.5. Phương phá p nghiên cứu

2.5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết ôtô máy kéo của các tác giả Nguyễn Công Hoan, xuất bản năm 1972; Nguyễn Hữu Cẩn, xuất bản năm 2005 để tính toán, xác định được các chỉ số kéo, bám, ổn định và tiêu hao nhiên liệu của liên hợp máy trong quá trình cày và phay đất.

- Dùng phương pháp lý thuyết cơ học kỹ thuật để phân tích, tính toán lực, mô men tác dụng làm cơ sở cho việc tính toán khả năng kéo, bám, ổn định của máy kéo John Deere-5310 khi liên hợp với máy cày và máy phay làm đất trồng lúa ở khu vực đồng bằng sông Cửu long.

2.5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp xác định tọa độ trọng tâm của liên hợp máy: Bằng phương pháp cân trọng lượng và đo các thông số liên quan của liên hợp máy như: cân trọng lượng dồn lên phần bánh sau của LHM khi đứng yên trên mặt phẳng ngang, trọng lượng dồn lên phần bánh sau của LHM khi nhấc bánh trước lên một đoạn h; đo khoảng cách giữa hai trục bánh trước, bánh sau của máy kéo,… Từ những kết quả cân, đo được, áp dụng các công thức toán học tính ra các giá trị a, e, h là các giá trị tọa độ trọng tâm của LHM;

- Đo giá trị mô men xoắn tác dụng lên trục cardan truyền động cho máy phay đất: Dùng phương pháp đo không điện bằng điện, sử dụng đầu đo mô men xoắn T4A được lắp vào trục cardan kết nối từ trục thu công suất của máy kéo John Deere-5310 với máy phay nhờ đồ gá tự chế, ngõ ra của đầu đo mô men xoắn được nối với Spider-8 để xử lý thông tin, Spider-8 được kết nối với máy vi tính để nhận kết quả;

- Đo độ trượt của LHM khi cày và phay đất: Chiều dài để thực nghiệm đo độ trượt là 45m, cho máy kéo đã gắn cày và phay chạy không tải và đếm số vòng quay của bánh sau chạy hết quãng đường trên. Sau đó cho máy chạy có tải trong hai trường hợp cày và phay trên đoạn đường trên, đếm số vòng quay của bánh sau trong hai trường hợp trên, áp dụng công thức tính độ trượt, tính được độ trượt của máy khi cày và phay đất.

31

Chương 3

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ KHẢ NĂNG KÉO, BÁM, ỔN ĐỊNH VÀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA LIÊN HỢP MÁY KÉO

JOHN DEERE-5310 VỚI MÁY CÀY VÀ PHAY ĐẤT

3.1. Khả năng kéo, bám, ổn định và chi phí nhiên liệu khi cày đất của máy kéo John Deere – 5310

3.1.1. Khả năng kéo khi cày đất của máy kéo John Deere – 5310

Khả năng kéo của máy kéo là một trong những chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng để xác định tải trọng của máy khi làm việc. Khả năng kéo cho ta biết những điều kiện cụ thể máy kéo làm được những công việc gì, với tải trọng bao nhiêu. Khi nghiên cứu, ta coi lực do máy kéo sinh để kéo bộ phận làm việc có phương song song với mặt đất.

Với những đặc điểm nêu trên, ta có sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo John Deere-5310 trong trường hợp tổng quát như sau [2] (Hình 3.1)

`

Hình 3.1. Sơ đồ lực tác động lên máy kéo

M f1 M f2 M j2 M j1 G α Mk G.cos α G.sinα Z1 R r Pf1 Pf2 hg hw V Pw Pj Lm L Pk b a Z2 

32

Theo sơ đồ làm việc, ta có các lực tác dụng lên liên hợp máy gồm: - Trọng lượng của máy G, được chia làm 2 thành phần: G.sinα và G.cosα;

- Lực cản lăn của đất tác dụng vào bánh xe trước và sau: Pf1 và Pf2, có phương song song với phương chuyển động;

- Lực cản không khí tác dụng lên đầu máy: Pw; - Lực cản quán tính: Pj;

- Lực kéo tiếp tuyến: Pk, có phương song song với phương chuyển động; - Lực kéo bộ phận làm việc: Pm;

- Lực cản độ dốc: Pi; Pi = G.Sinα

- Phản lực tác dụng lên bánh trước và bánh sau của máy: Z1, Z2.

Từ sơ đồ phân bố lực tác động, ta có phương trình cân bằng lực kéo của liên hợp máy kéo John Deere-5310 theo phương ngang như sau:

Pk = Pf1 + Pf2 + Pw + Pj + Pm ± Pi

Trong quá trình làm việc, do tốc độ của máy nhỏ (10÷15 km/h), máy chuyển động đều nên ta có thể bỏ qua lực cản không khí (Pw) và lực cản quán tính (Pj). Từ đó, ta có phương trình cân bằng lực kéo của máy kéo John Deere-5310 như sau:

Pk = Pf1 + Pf2 + Pm± Pi = Pf + Pm ± Pi (3.1) Để xác định khả năng kéo của liên hợp máy kéo John Deere-5310 khi cày đất, ta đi xác định các thành phần lực của phương trình trên.

3.1.1.1. Xác định lực kéo tiếp tuyến (Pk)

Lực kéo tiếp tuyến được xác định theo công thức sau: [2]

R i M R M Pk k e..m   N (3.2) Trong đó:

33

- R: Bán kính lăn của bánh xe chủ động, (m); - i: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực;

- ηm: Hiệu suất cơ học của hệ thống truyền lực, ηm = 0,88, [2] - R: Bán kính lăn của bánh xe chủ động (m); R = r.λ

Với máy kéo John Deere 5310 ta có:

Bán kính thiết kế: r = 784,86 mm, [6]

λ – là hệ số kể đến sự biến dạng của lốp, Theo [5], với lốp áp suất thấp 130Kpa ta chọn: λ = 0.93,

Nên R = r. 0,935 = 730 mm

Mô men xoắn của động cơ Me được tính theo công thức:

202 2600 55 . 9550 . 9550    e e e n N M (N.m) Trong đó:

Ne- công suất của động cơ (kW); ne - Số vòng quay trục động cơ (v/ph)

Tỉ số truyền của các số truyền được xác định theo công thức:

t e t e t e t v n R v R n n n i . 30 . . . 60 . 2 .     (3.3) Trong đó:

- vt: vận tốc của máy kéo tương ứng với số vòng quay của động cơ, (m.s). Giá trị tỉ số truyền it ở các số truyền của động cơ, theo catalogue [6] cho kết quả trong bảng 3.1

Bảng 3.1. Giá trị các số truyền của máy kéo Jonh deere 5130 Số

truyền A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3

Tỷ số

34

Thay các giá trị trên, tương ứng với từng tỷ số truyền vào công thức (3.2), ta xác định được lực kéo tiếp tuyến ở từng cấp số truyền như sau

Bảng 3.2. Giá trị các lực kéo tiếp tuyến tương ứng với từng tỷ số truyền của máy kéo Jonh deere 5130

Số truyền A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3

Lực kéo tiếp tuyến (N)

71216 49176 32664 30110 20698 13880 10958 7585 5041

3.1.1.2. Xác định lực cản chuyển động (Pc) của liên hợp máy kéo John Deere-5310

Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên LHM như hình 3.2

Hình 3.2. Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo khi làm việc trên mặt đồng Các lực tác dụng lên máy kéo bao gồm:

- Trọng lượng tổng cộng của LHM, G = 29.600 N - Lực cản lăn tác dụng lên các bánh máy kéo: Pf G(f1 f2)

Với f1,f2 là hệ số cản lăn ở bánh trước và bánh sau của máy kéo, gần đúng có thể lấy f  f  f nên: Z1 Z2 a G L b Pk Pi Pw Mf2 Mf1 Pf2 Ry R Rx Pf1

35

Pf G.f (3.4) Mf - mô men cản lăn của máy kéo

Mf = Mf1 + Mf2 Mf2 - mô men cản lăn của bánh sau

Mf1 - mô men cản lăn của bánh trước

Z2- phản lực pháp tuyến của mặt đất tác dụng lên bánh xe sau Z1 - phản lực pháp tuyến của mặt đất tác dụng lên bánh xe trước

- Lực cản của gió: 2 0 2 0 . . .Fv Wv K Pw  (3.5) Trong đó: K- Hệ số cản không khí;

F- Diện tích cản chính diện của máy;

v0- là vận tốc tương đối giữa máy kéo và không khí, (m/s); W- là nhân tố cản không khí, (Ns2/m2). - Lực cản do quán tính: Pj = j g G . .  (3.6) Trong đó: G- Trọng lượng của LHM, (N) g – gia tốc trọng trường, (m/s2) j- gia tốc tịnh tiến của LHM, (m/s2)

δ- hệ số ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay. - Lực tác dụng lên đĩa chỏm cầu khi cày làm việc Rc

Nguyên lý làm việc của máy cày đĩa khác với máy phay đất ở chỗ trống phay quay được là do truyền chuyển động cưỡng bức từ trục thu công suất của máy kéo tới trục trống phay còn ở máy cày đĩa, các đĩa quay được là do ma sát giữa đĩa với đất. Do các đĩa đặt nghiêng so với hướng chuyển động của máy kéo một góc  (góc tiến của máy) nên sự dịch chuyển của đĩa từ vị trí I đến vị trí II có thể xem như tổng hợp của hai dịch chuyển, đó là: Lăn từ điểm I đến I’ và lê không quay từ I’ đến I” như hình 3.3.

36

Hình 3.3 - Sơ đồ nguyên lý làm việc của cày đĩa

Khi làm việc bề mặt lõm của đĩa, lưỡi và cạnh cắt đất của đĩa sẽ chịu tác động lực cản của đất và lực ma sát.

Gọi tổng các lực tác dụng lên đĩa là R và hình chiếu của lực đó lên các trục tọa độ tương ứng là Rx; Ry ;Rz. Khi tính toán kiểm tra bền, tất cả các lực tác dụng lên đĩa được quy về hai lực là R’ và R” (hình 3.4)

R’ – Lực nằm trong mặt phẳng thẳng đứng, nghiêng so đường nằm ngang một góc  và cách tâm quay một khoảng S.

Lực R” vuông góc với mặt phẳng quay của đĩa song song với trục quay và cách đáy luống một khoảng bằng a/2.

I’ I”

I II

37

Lực cản theo phương chuyển động bao gồm hai thành phần, đó là lực cản cắt đất Rx và lực cản do ma sát giữa cày và đất Rms.

Lực cản cắt đất thường tính theo công thức: [8]

Rx .K0.a.b.Z (3.7) Lực ma sát ma sát giữa cày và đất:

Rms .Gc (3.8) Vậy lực cản kéo tổng cộng tính theo công thức:

Rc .K0.a.b.ZG (3.9) Trong đó:

 - hệ số tác dụng hữu ích, chọn  0,65

a- chiều sâu cày, chọn a = 30 cm

b- bề rộng cày, đo trực tiếp trên đĩa chảo được b = 8 cm Z – số đĩa lắp trên cày, Z = 7

K0 – hệ số cản cắt riêng, (N/cm2).

 - hệ số ma sát giữa các đĩa với đất. Gc – trọng lượng của cày, Gc = 8500 N

Tổng lực cản tác dụng lên máy kéo khi cày bằng cày chảo là:

Pc = Pf + Pw+Pj + Rc (3.10)

Thay các công thức (3.4), (3.5), (3.6) và (3.9) vào công thức (3.10) ta có tổng lực cản tác dụng lên máy kéo là:

j G K abZ g G v W f G Pc  .  . 02 i. .  c. 0. . . (3.11) Do liên hợp máy làm việc với tốc độ thấp (2-5m/s) và ổn định nên thành phần lực Pw và Pj là rất nhỏ có thể bỏ qua, và các hệ số f và μ coi như ổn định.

38

Pc G.f Gc.K0.a.b.Z (3.12) Trong đó:

G- trọng lượng của LHM, G = 29600 N Gc- trọng lượng của cày, Gc = 8500 N

f - hệ số cản lăn giữa bánh xe và mặt đồng. f = 0,06 , [7]

- hệ số ma sát giữa đất và lưỡi cày, μ = 0,35 , [8]

Ko- lực cản cắt riêng, chọn theo loại đất. Đối đất nông nghiệp thuộc vùng đồng bằng sông cửu Long thuộc loại đất phù sa, là loại đất nhẹ, do vậy chọn K0 =3 N/cm2, [8]

a- chiều sâu cày, a = 0,25 m b- chiều rộng cày, b = 0,06 m Z- Số đĩa cày, Z = 7

Thay các giá trị trên vào công thức (3.12) ta được:    29600.0,06 8500.0,35 3.0,25.0,06.7 c P 4751 N

Từ công thức (3.12) ta nhận thấy tổng lực cản chuyển động của liên hợp máy khi làm việc là một đường thẳng nằm ngang, coi như không phụ thuộc vào vận tốc chuyển động.

3.1.2. Khả năng bám của máy kéo John Deere -5310 khi cày đất

Khả năng bám của máy kéo chính là lực bám của bánh xe chủ động vào đất, do lực ma sát giữa bánh của máy kéo và mặt đất tạo nên. Khả năng bám là một chỉ tiêu kỹ thuật để xác định tải trọng của máy kéo.

Giá trị lực bám được tính theo công thức sau:

P G1. (3.13)

Trong đó:

39

G1 - là trọng lượng đặt tại cầu sau của máy kéo, theo kết quả thí nghiệm ở chương 5 ta có: G1 = 21436 N

Thay số vào công thức (3.13) ta có: Pφ = G1.φ = 21436.0,77 = 16436 N

3.1.3. Khả năng ổn định của liên hợp máy kéo John Deere – 5310 và cày chảo

3.1.3.1. Khả năng ổn định dọc của liên hợp máy a. Ổn định cho điều kiện lái

Điều kiện ổn định lái của liên hợp máy kéo bánh là phản lực tiếp tuyến lên bánh trước phải luôn lớn hơn giá trị cho phép.

Khả năng lái của máy kéo bị phá hủy khi phản lực pháp tuyến Z lên các bánh trước không được nhỏ hơn giá trị cho phép Zcp. Các số liệu thực nghiệm cho thấy rằng Zcp=(0,15 - 0,20)G, [10],[4] khi liên hợp máy chuyển động trên nền đất yếu.

Với liên hợp máy khi làm việc trong mặt phẳng dọc, khả năng mất ổn định lái sẽ xảy ra trước khi liên hợp máy bị mất ổn định trượt hay bị lật. Do vậy ta phải xác định góc dốc cho phép để đảm bảo điều kiện lái. Có 2 trường hợp dễ mất ổn định lái nhất là khi liên hợp máy di chuyển lên dốc và khi liên hợp máy di chuyển xuống dốc.

Trường hợp liên hợp máy di chuyển xuống dốc, do trọng lượng của liên hợp máy có xu hướng dồn lên cầu trước của máy kéo, làm tăng phản lực pháp tuyến lên bánh trước. Ngược lại, với trường hợp liên hợp máy di chuyển lên dốc, trọng lượng của liên hợp máy lại dồn lên cầu sau làm giảm phản lực pháp tuyến tác dụng lên cầu trước. Do đó ta thấy khi di chuyển lên dốc liên hợp máy dễ mất ổn định hơn nên ta kiểm tra cho trường hợp này.

Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên LHM trong trường hợp di chuyển ngược dốc như hình (3.5)

40

Hình 3.5. Sơ đồ liên hợp máy chuyển động trên đường dốc Các thành phần lực và momen tác dụng lên máy kéo như sau: Trọng lượng của liên hợp máy Gđược phân làm hai thành phần là:

Gm Gm.cosGm.sin Phản lực pháp tuyến Z1 và Z2

Mô men cản lăn Mf1 và Mf2

Liên hợp máy có cấu tạo hai phần riêng biệt là máy kéo và bộ phận công tác. Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở Chương 4 ta đã xác định được trọng tâm của liên hợp máy có tọa độ như sau:

a = 722,22 mm hg = 761,48 mm e = 152,89 mm

Từ điều kiện cân bằng momen của ngoại lực với điểm O1 ta có phương trình cân bằng sau. Gm.cosα.a = Gm.sinα.hg + Z1.L + Mf (3.14) L b a Z2 O2 O1 Z1 hg  Mf1 Mf2 Pf2 Pk2 Pk1 Pf1  Gm G m .co sα Gm.sinα

41

Trong đó: Mf là momen cản lăn. Mf = Gm.f.cosα.rk

Để đảm bảo điều kiện lái được bình thường, phản lực pháp tuyến Z1 tác dụng lên cầu trước không được nhỏ hơn giá trị cho phép (Z1 > Zcp), ta chọn Zcp=0.2Gm, [4] thay Z1=Zcp vào phương trình trên ta được.

Gm.cos.aGm sin.hg Zcp.LGm.f.cos.rk

a f r h L r f L h a g k k g . 2 , 0 sin . cos ) . ( . cos . . 2 , 0 . sin . cos      