Lực cản của liên hợp máy là tổng hợp tất cả các lực do bộ phận làm việc của máy công tác tạo nên, lực cản lăn của bộ phận di động máy công tác, lực cản dốc v.v…tất cả các lực cản này để đơn giản ta quy về một lực cản tổng hợp Pkp
đặt tại móc của máy kéo, lực này nghiêng một góc γ so với phương nằm ngang
của thân máy kéo.
Lực cản lăn của máy kéo xích sinh ra do đất bị biến dạng theo phương pháp tuyến và do lực ma sát trong bộ phận di động xích. Nếu ta ký hiệu Pƒn và Pƒrlà hai thành phần lực cản lăn tương ứng với hai nguyên nhân sinh ra chúng thì lực cản lăn chung của máy kéo sẽ là:
Pƒ = Pƒn + Pƒr
Đất bịến dạng theo phương pháp tuyến là do sự tác động của tải trọng pháp tuyến, chủ yếu là do trọng lượng của máy. Sự phân bố ứng suất theo chiều dài xích là không đều nhau, tại vùng tiếp xúc với các bánh đề xích có ứng suất lớn hơn các vùng lân cận.
Để đơn giản ta giả thiết: máy chuyển động trên đường nằm ngang với sự phân bố phản lực pháp tuyến theo chiều dài của nhánh xích tiếp đất là đồng đều (hình 2.7). Khi đó sự biến dạng của đất theo phương pháp tuyến chủ yếu là do bánh đè xích phía trước gây nên, các bánh đè xích tiếp theo chỉ lăn trên nền đất đã được bánh đè xích trước nén chặt. Hợp lực của các phản lực pháp tuyến tác dụng lên nhánh xích trước có thể phân thành hai thành phần: thành phần thẳng đứng và thành phần nằm ngang. Thành phần nằm ngang có chiều chống lại sự chuyển động và được gọi là lực cản lăn Pƒn.
Hình 2.7 Hình 2.8 MK h pfm pfn G L stb Pj G.sina G.cosa Pm G PK a Pf
Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo Sơ đồ xác định lực cản lăn
Trị số của thành phần lực cản lăn Pƒn có thể được xác định theo một vài phương pháp khác nhau tuỳ theo cách giả thiết. Với giả thiết đã nêu ra ở trên ta xác định lực Pƒn theo phương pháp cân bằng công do lực Pƒn làm dịch chuyển máy kéo theo phương ngangvới đoạn đường dL và công của trọng lực G làm mặt đường biến dạng theo phương pháp tuyến một đoạn dh.
Ta có thể viết phương trình cân bằng năng lượng:
Pf n.dL = G dh.
Tích phân hai vế phương trình trên với các cận (0 − L) và (0 − h) sẽ nhận được:
P Gh
L
f n =
(2-28)trong đó: L - chiều dài mặt tựa xích; trong đó: L - chiều dài mặt tựa xích;
h - độ sâu vết xích.
Để xác định độ sâu của vết xích h ta giả thiết ứng suất pháp tuyến phân bố đồng đều có trị số là σtb và sự biến dạng của đất nằm trong giới hạn đàn hồi. Trị số của σtb có thể được xác định theo công thức
σtb = kh
trong đó: k - hệ số biến dạng của đất theo phương pháp tuyến.
Trong trường hợp này trọng lượng của máy kéo sẽ được cân bằng với các phản lực pháp tuyến :
G = 2σtbbL = 2khbL trong đó: b- bề rộng dải xích.
h GkbL kbL
= 2 2
Sau khi thay h vào phương trình (2-28) ta nhận
P G
kbL
f n = 22
2 (2-29)
Qua công thức trên ta thấy thành phần lực cản lăn Pfn phụ thuộc vào các thông số cấu tạo của máy và các tính chất cơ lý của đất. Trọng lượng của máy và chiều dài L là hai yếu tố gây ảnh hưởng mạnh nhất. Để giảm thành phần lực cản lăn Pfn ta có thể tăng chiều dài L của dải xích sẽ có hiệu quả hơn so với tăng bề rộng b. Nhưng trong quá trình sử dụng không thể thay đổi chiều dài L vì không cho phép thay đổi các thông số cấu tạo của bộ phận di động xích. Vì vậy, trong thực tế khi máy kéo làm việc trên nền đất yếu để giảm lực cản lăn thường người ta chỉ tăng bề rộng b bằng cách sử dụng các dải xích có bề rộng lớn hơn.
Lực cản lăn của máy kéo còn do các lực ma sát trong bộ phận di động xích, bao gồm: ma sát trong các khớp nối của dải xích do lực căng ban đầu T0 và lực ly tâm gây ra; lực ma sát giữa dải xích và các bánh đỡ xích; lực ma sát trong các ổ đỡ và lực cản lăn của các bánh đè xích. Các thành phần lực ma sát trên có thể quy dẫn đến bánh chủ động, tương đương với một mô men ma sát Mr2 .
Để phân biệt với mô men ma sát Mr1 do mô men chủ động Mk gây ra, thường người ta gọi Mr1 là mô men ma sat nhóm I và Mr2 - mô men ma sát nhóm II.
Lực cản lăn do mô men ma sát nhóm II gây ra có thể được xác định theo công thức:
P Mr r t r r k = 2 (2-30)
Xác định mô men ma sát nhóm II:
Các máy kéo dùng trong nông nghiệp thường làm việc với tốc độ chuyển động thấp. Do đó có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của lực ly tâm đến độ căng của xích. Mô men ma sát trong các gối đỡ cũng có thể bỏ qua . Như vậy mô men ma sát nhóm II Mr2 được sinh ra chủ yếu là do ma sát trên các chốt xích và lực cản lăn của các các bánh đè xích.
Bằng cách phân tích tương tự như đã phân tích ở nhánh chủ động (Mục 4.1) ta nhận được Mr = Tor + + + z +foGrk π α β β α µ 2 ) 2 2 2 2 ( . 1 1 2 1 2 (2-31)
trong đó: T0 - lực căng ban đầu;
ƒ0 - hệ số cản lăn của các bánh đè xích.
Số hạng thứ nhất của công thức (2-31) là thành phần mô men ma sát sinh ra trên các chốt xích do lực căng ban đầu T0 gây ra, số hạng thứ hai là mô men ma sát do lực cản lăn của các bánh đè xích gây ra. Đó là hai thành phần chủ yếu gây ra mô men ma sát Mr2.
Công thức (2-31) cũng cho ta thấy rằng, để giảm mô men ma sát Mr2 có thể bằng cách giảm lực căng ban đầu To..
Nhưng trong công thức trên chưa tính đến sự ảnh hưởng của độ võng nhánh xích trên đến mô men ma sát Mr2. . Khi giảm lực căng ban đầu sẽ làm độ võng tăng lên và dẫn đến làm tăng mô men ma sát Mr2 . Như vậy cần phải giải bài toán tối ưu chọn lực căng ban đầu To để sao cho mô men ma sát trong bộ phận di động xích là nhỏ nhất.
Vấn đề này thường chỉ được giải quyết theo phương pháp thực nghiệm và được kiểm tra thông qua đo độ võng của nhánh xích trên. Ngoài ra, để giảm độ võng và độ dao động của nhánh xích trên có thể thực hiện bằng cách lắp thêm các bánh đỡ xích.
Các thành phần lực cản lăn Pf.r và Pfn có thể biểu thị qua tải trọng pháp tuyến. Trường hợp máy kéo chuyển động trên đường nằm ngang, các thành phần lực cản lăn có thể được xác định như sau:
Pf n = f Gn Pf r = f Gr
trong đó: ƒn và ƒr là các hệ số cản lăn tính đến sự mất công suất do biến dạng của mặt đường theo phương pháp tuyến và ma sát trong bộ phận di động xích.
Lực cản lăn chung của cả máy kéo sẽ là tổng của hai thành phần trên, nghĩa là:
Pf = Pf n + Pf r = (fn + f Gr) = fG (2-32) Cần lưu ý rằng, trong thực tế phản lực pháp tuyến lên các nhánh xích phân bố không đều theo chiều dài của nhánh xích tựa, khi đó độ sâu của vết xích sẽ tăng lên và làm tăng lực cản lăn. Sự ảnh hưởng này sẽ càng lớn khi máy kéo chuyển động trên đất dốc.
Do phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là khi làm việc trên đồng, nên hệ số cản lăn chỉ có thể xác định tương đối chính xác bằng phương pháp thực nghiệm. Trong các tài liệu kỹ thuật thường được đưa ra các hệ số cản lăn cho các loại máy kéo ( xích hoặc bánh) khi làm việc trên các loại đường, loại đất khác nhau.
Lực quán tính xuất hiện khi máy kéo chuyển động có gia tốc. Trong trường hợp tổng quát nó bao gồm lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và các khối lượng chuyển động quay.
P G
g a
j = δa (2-33)
trong đó: a − gia tốc chuyển động của máy kéo ;
δa − hệ số quy đổi khối lượng, tính đến sự ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay không đều:
δa ηp d ηm x x ηx k b k g G J i J i J J r = +1 2 + ∑ 2 + + 2 (2-34)
ηp - hiệu suất làm việc của nhánh xích chủ động;
Jb - mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay trong bộ phận chuyển động xích được quy dẫn đến bánh chủ động
( )2 ( )2 ( )2 B k2 p k p o k o n k n b r g G r r J r r J r r J J = + + + (2-35)
Jn, rn − mô men quán tính và bán kính của bánh căng xích; Jo, ro − mô men quán tính và bán kính của các bánh đè xích; Jp, rp − mô men quán tính và bán kính của các bánh đỡ xích; GB − trọng lượng của nhánh xích trên.
Hệ số quy đổi khối lượng δa cũng có thể được tính theo công thức thực nghiệm:
δa = 1,2 +0,002i2 (2-36) trong đó: i - tỷ số truyền trong hệ thống truyền lực.
Lực cản làm việc của bộ phận công tác bao gồm các thành phần: lực ma sát giữa bộ phận đào, sàng với đất; lực cản do biến dạng của đất; lực cản do chi phí năng lượng để nâng khối đất lẫn nghêu lên sàng phân loại. Lực cản làm việc phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu và tình trạng kỹ thuật của bộ phận công tác, các tính chất cơ lý của đất và tình trạng bề mặt nền, độ sâu và bề rộng làm việc, tốc độ di chuyển của LHM…vv.
Lực cản máy công tác, lực cản lăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố mang tính ngẫu nhiên, việc xác định giá trị của chúng thường được thực hiện bằng thực nghiệm. Trong tính toán có thể sử dụng các công thức thực nghiệm Goriatskin để xác định lực cản làm việc:
Pm= fm Gm + Kc Bh + εBhv2 (2-37) Trong đó:
- Pm: lực cản máy công tác
- Fm: hệ số ma sát giữa đất và bộ phận làm việc - Gm: Trọng lượng máy thu hoạch
- Kc: lực cản riêng của đất
- B, h, v: bề rộng, độ sâu và vận tốc làm việc - ε: hệ số tỷ lệ
Các hệ số fm, Kc và ε được xác định bằng thực nghiệm. Giá trị của chúng phụ thuộc vào kết cấu bộ phận làm việc (vật liệu, trạng thái bề mặt, góc đặt lưỡi đào…), tính chất của đất và trạng thái chuyển động của máy.
Các thành phần vế phải công thức 2-49 thể hiện khá đầy đủ bản chất quá trình làm việc của máy thu hoạch nghêu. Thành phần fmGm liên quan đến ma sát, Kc Bh là thành phần lực cản sinh ra do biến dạng, cắt và phá vỡ đất, εBhv2
Để đơn giản hóa việc tính toán có thể sử dụng công thức sau: Pm= K hα bβ (2-38) Trong đó: - K, α, β là các hệ số thực nghiệm - b, h: kích thước khối đất Hoặc sử dụng công thức: Pm= K B h (2-39) Trong đó: - K: lực cản riêng của đất
- B, h: bề rộng và độ sâu làm việc của máy thu hoạch
Thành phần lực cản riêng của đất là thông số phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất cơ lý đất, độ sâu, bề rộng và vận tốc làm việc của LHM. Bằng các tính toán và đo đạc tực nghiệm, đã xác định một số quan hệ của lực cản riêng với các thông số ảnh hưởng.
Quan hệ phụ thuộc vào vận tốc chuyển động
K = K0 + ε1v + ε2v2 (2-40) Trong đó: K0, ε1, ε2 là các hệ số hồi quy
Theo ** các hệ số hồi quy có thể xác định một cách tương đối nhu sau: - Với K0= 46-60 KN/m2 thì ε1 = 0, ε2 = 3-4
- Với K0 > 60 KN/m2 thì ε1 = 0, ε2 = 4-5
Lực cản riêng của máy đào nghêu cũng có thể được xác định theo công thức: + − ∆ = 100 ) ( 1 1 1 c K v v K K (2-41) Trong đó:
K1: lực cản riêng máy đào nghêu khi vận tốc v1 = 1.1 – 1.4 m/s v: vận tốc bất kỳ m/s
ΔKc: độ gia tăng lực cản riêng khi vận tốc tăng lên 1 m/s ΔKc = 11-18 % khi K1= 45-60 KN/m2
ΔKc = 18-25 % khi K1>60 KN/m2
- Cân bằng lực kéo
Từ sơ đồ lực trên hình 2.15 có thể viết phương trình cân bằng lực: Pk = Pƒ ± Gsinα ± Pj + Pm (2-42) trong đó: Pm - lực cản kéo ở móc.
Trong công thức (2-42) dấu (+) hoặc (−) trước G thuỳ thuộc chuyển động lên dốc hoặc xuống dốc, còn dấu (+) hoặc (−) trước lực quán tính Pj sẽ tuỳ thuộc chuyển động nhanh dần hoặc chậm dần.