Nghiên cứu khả năng kéo bám của bánh xe kết hợp máy kéo BS-12 làm việc trên đất có độ ẩm cao

n thân tôi đã nhận đ−ợc rất nhiều sự giúp đỡ. Qua đây tôi xin đ−ợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới: Các thầy cô giáo trong bộ môn Động Lực - khoa Cơ Điện và các thầy cô giáo khoa Sau Đại Học - tr−ờng đại học Nông Nghiệp I - Hà Nội. Đã có những chỉ bảo và những ý kiến đóng góp quý báu cho luận văn của tôi. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc chân thành tới thầy giáo T.S Đặng Tiến Hòa ng−ời đã trực tiếp h−ớng dẫn giúp đỡ tôi tận tình để tôi có thể thực hiện và hoàn thành đề tài. Nhân dịp này tôi cũng xin trân trọng cám ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ kinh phí, máy móc, vật t− của tr−ờng công nhân Cơ Khí Nông Nghiệp I TW - Bình Xuyên - Vĩnh Phúc giúp cho tôi có đ−ợc những điều kiện thuận lợi nhất để thực hiện đề tài này. Do thời gian và kinh nghiệm có hạn, nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đ−ợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để đề tài của tôi đ−ợc hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2006 Tác giả Lâm Sơn Hùng 3 Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Mở đầu 1 Ch−ơng 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 5 1.1 Khái quát về tình hình phát triển ngành cơ khí nông nghiệp nói chung và phát triển liên hợp máy kéo nhỏ nói riêng ở n−ớc ta 5 1.2 Đặc điểm về máy kéo nhỏ hai bánh 1.2.1 Máy kéo Bông Sen - 12 (BS -12) 8 8 1.2.2 Máy kéo GN - 91 và GN - 111 ( Trung Quốc sản xuất ) 11 1.2.3 Đặc điểm một số bộ phận di động của máy kéo BS-12 13 1.3 Đặc điểm về đất nông nghiệp ảnh h−ởng đến khả năng di động của máy kéo 1.3.1 Độ ẩm của đất nông nghiệp 15 15 1.3.2 Độ chặt của đất nông nghiệp (H kg/cm2) 17 1.3.3 Hệ số ma sát ngoài của đất 18 1.3.4 Lực dính giữa đất và thép 20 1.3.5 Lực cản lăn của đất khi xê dịch 22 1.4 Đặc tính kéo bám của bám xe 24 1.5 Đặc điểm đất đai vùng đồng bằng Sông Hồng có ảnh h−ởng đến sự làm việc của liên hợp máy kéo nhỏ trên đồng đất có độ ẩm cao 24 1.6 Tình hình nghiên cứu, cải tiến và sử dụng các bộ phận di động cho máy kéo nhỏ làm việc trên đất nông nghiệp ở n−ớc ta 26 1.7 Nội dung của đề tài 27 Ch−ơng 2. Một số cơ sở lý thuyết và tính chất kéo bám của bánh xe 28 2.1 Lực kéo trên bánh chủ động 28 2.2.1 Lực kéo tiếp tuyến 28 4 1 - Trọng l−ợng bám của máy kéo tác dụng lên bánh xe 30 2 - Tình trạng mặt đồng, đ−ờng 30 3 - áp lực riêng bánh xe trên đất 30 4 - Kết cấu hình dạng mấu bám của bánh xe 30 2.1.2. Lực cản lăn của bánh xe 31 2.2. Tính chất tr−ợt của bánh xe 32 2.2.1. Độ tr−ợt cúa bánh xe 32 1. Quỹ tích chuyển động, gia tốc, tốc độ của các điểm trên bánh xe khi có tr−ợt 33 2. Liên hệ giữa góc nghiêng mặt chủ động của mấu bám và độ tr−ợt 32 2.2.2. Xác định tính chất tr−ợt của bánh xe 37 2.3. Cơ sở tính toán một số thông số của bánh phụ 51 2.3.1. Góc nghiêng α của mặt chủ động mấu bám 51 2.3.2. Xác định chiều rộng - chiều cao của mấu bám 52 2.3.3 Xác định số l−ợng mấu bám. 54 2.3.4. Tính toán vành và nan hoa bánh xe 55 Ch−ơng 3. Thiết kế chế tạo bánh phụ, khung khảo nghiệm bánh xe kết hợp 58 3.1 Tính toán, lựa chọn xác định một số thông số cơ bản của bánh kết hợp 58 3.1.1 Lực kéo tiếp tuyến PK của bánh xe 58 3.1.2 Lực bám của bánh phụ khi làm việc với bánh hơi 60 3.1.3 Xác định và tính toán một số thông số của đất 60 3.1.4 Lựa chọn các thông số chính của bánh kết hợp 61 3.2 Chế tạo hoàn chỉnh bánh phụ 67 3.3 Thiết kế và chế tạo khung khảo nghiệm bánh xe kết hợp 70 3.3.1 Mục đích 70 3.3.2 Sơ đồ tổng thể khung khảo nghiệm bánh xe 70 Ch−ơng 4. Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm xác định đặc tính kéo bám của bánh xe kết hợp 75 5 4.1 Mục đích 75 4.2 Ph−ơng pháp và sơ đồ tổng thể chuỗi đo thí nghiệm 75 4.3 Liên kết các thiết bị thí nghiệm 76 4.4 Xây dựng module thí nghiệm 79 4.5 Hiệu chỉnh thiết bị đo 80 4.6 Bố trí thí nghiệm 80 4.6.1 Điều kiện thí nghiệm 80 4.6.2 Tiến hành thí nghiệm 82 4.7 Xây dựng ch−ơng trình hồi qui 83 4.8 So sánh đặc tính bánh xe kết hợp với đặc tính bánh lốp máy kéo BS -12 86 Kết luận và đề nghị 88 Tài liệu tham khảo 89 Phụ lục 6 Mở Đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài N−ớc ta là một n−ớc nông nghiệp với khoảng 80% dân số sống các vùng nông thôn và sống chủ yếu bằng nghề nông. Nguồn ngoại tệ thu từ xuất khẩu nông sản là không nhỏ (trên 43% GDP). Đây là nguồn ngoại tệ để nhập các công nghệ, kỹ thuật tiến tiến phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hóa đất n−ớc nói chung, ngành nông nghiệp và phát triển nông thôn nói riêng. Chính vì vậy mà việc phát triển nông nghiệp nông thôn đ−ợc Đảng và nhà n−ớc ta xác định là mặt trận hàng đầu. Trong t−ơng lai, với đ−ờng lối phát triển nền kinh tế của Đảng và nhà n−ớc ta: "Giảm số dân lao động trong ngành nông nghiệp nh−ng vẫn đảm bảo tăng sản l−ợng nông nghiệp ". Đặc biệt khi n−ớc ta ra nhập vào tổ chức Th−ơng Mại Thế Giới (WTO). Nền kinh tế n−ớc ta nói chung và nền sản xuất nông nghiệp nói riêng, phải chịu sự cạnh tranh khốc liệt của nền kinh tế thị tr−ờng. Muốn nông phẩm, hàng hóa có đ−ợc tính cạnh tranh cần thiết, nhất là với những mặt hàng cùng loại của các n−ớc khác trong khu vực và thế giới. Ngoài việc thay đổi giống, áp dụng sản xuất công nghệ cao, tăng năng suất cây trồng, vật nuôi ...v.v. thì tăng năng suất, hiệu quả trong các khâu sản xuất áp dụng cơ giới hóa (trong đó có khâu làm đất) cũng là một nhiệm vụ rất cần thiết. Sau khi có Nghị quyết khoán X của Bộ Chính Trị (ban hành ngày 04/05/1988), mô hình cơ khí hóa nông nghiệp theo kiểu các trạm, đội máy kéo lớn tr−ớc đây không còn phù hợp nữa. Thay vào đó là sự nhập cuộc mạnh mẽ của các liên hợp máy động lực nhỏ trong hầu hết các khâu canh tác. Hiện nay mỗi hộ nông dân trở thành một đơn vị kinh tế tự chủ, họ đ−ợc giao đất sử dụng sản xuất lâu dài. Ruộng đất đ−ợc chia nhỏ thành từng ô, thửa cho từng hộ nông dân mà vốn đầu t− cho sản xuất của từng hộ là rất khác nhau và còn nhiều hạn chế. Loại máy kéo nhỏ có công suất từ 4 ữ 30 mã lực đi cùng với các máy móc nông nghiệp t−ơng ứng với giá thành phù hợp đang đ−ợc ng−ời nông dân rất −a chuộng sử dụng, nhất là ở các vùng đồng bằng, trung du Bắc bộ và Trung bộ. Qua thực tế sản xuất cho thấy việc sử dụng liên hợp máy cỡ 7 nhỏ ở nhiều vùng địa ph−ơng tỏ ra −u việt và hợp lý hơn so với máy móc cỡ lớn. Nó cho hiệu quả cao, đáp ứng đ−ợc nhu cầu sản xuất kinh doanh của nhiều thành phần kinh tế khác nhau. Bên cạnh việc tăng năng suất lao động, còn tạo ra một bộ mặt mới cho đời sống kinh tế xã hội ở nông thôn. Các loại máy kéo nhỏ đang đ−ợc sử dụng nhiều ở n−ớc ta chủ yếu do nhà máy cơ khí nông nghiệp Hà Tây kết hợp với nhà máy cơ khí Trần H−ng Đạo và nhà máy DIEZEL Sông Công sản xuất. Phần máy nhập ngoại chủ yếu là từ các cơ sở sản xuất địa ph−ơng Trung Quốc. Trình độ công nghệ của các cơ sở chế tạo này hầu hết còn lạc hậu. Các mẫu máy ít đ−ợc cải tiến, thiết kế theo kiểu sao chép lại. Trong các năm qua, việc các mẫu máy này vẫn đ−ợc thị tr−ờng chấp nhận là do giá cả phù hợp với điều kiện kinh tế của ng−ời nông dân. Ch−a phải là do chất l−ợng và sự thích ứng của các mẫu máy này với các điều kiện làm việc thực tế trên đồng ruộng n−ớc ta. Hiện nay ở n−ớc ta, diện tích đất có độ ẩm trong thời gian canh tác chiếm khoảng 50% diện tích đất trồng trọt. Đất có độ ẩm cao (W = 40 ữ 45% trở lên) nh− đất đầu vụ đông xuân ở Miền Bắc (tháng 10 - 11) và đất sau vụ gặt ở vùng trồng lúa nhiều vụ chiếm phần diện tích đáng kể. Đất này đòi hỏi máy kéo phải có cơ cấu di động thích hợp thì mới làm việc cho hiệu quả cao. N−ớc ta mới chỉ sản xuất một số loại cơ cấu di động cho máy kéo nhỏ là bánh hơi, bánh mấu, bánh lồng. Các loại cơ cấu di động này chỉ có thể làm việc phù hợp với ruộng n−ớc hoặc ruộng cạn có độ ẩm và trung bình, còn trên đất có độ ẩm cao thì ch−a phù hợp. Vì vậy việc nghiên cứu, cải tiến bộ phận di động cho máy kéo nhỏ khi làm việc trên đất có độ ẩm cao là rất cần thiết. Để góp phần giải quyết vấn đề trên, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng kéo bám của bánh xe kết hợp máy kéo BS -12 làm việc trên đất có độ ẩm cao”. Nhằm có những cải thiện đáng kể, tăng lực kéo bám cho liên hợp máy khi làm việc. Giúp ng−ời nông dân sử dụng liên hợp máy kéo nhỏ trong khâu làm đất trên loại đất có độ ẩm cao đ−ợc hiệu quả hơn. 8 2. Mục đích và yêu cầu của đề tài 2.1. Mục đích Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng kéo bám của bánh xe kết hợp máy kéo Bông sen –12 (và trên một số loại máy kéo nhỏ 2 bánh đẩy tay t−ơng tự có công suất từ 12 ữ 15 mã lực) khi làm việc trên nền đất có độ ẩm cao (W > 40%). Đây là loại máy kéo tay đ−ợc sử dụng rất rộng rãi, phổ biến ở đồng bằng các tỉnh phía Bắc. 2.2. Yêu cầu của đề tài Phân tích đánh giá tình hình sử dụng liên hợp máy kéo nhỏ của n−ớc ta trong giai đoạn hiện nay. Nắm đ−ợc −u nh−ợc điểm các bộ phận di động của liên hợp máy kéo nhỏ hiện có. Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm xác định đặc tính kéo bám của bánh xe kết hợp. 3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1. ý nghĩa khoa học Nghiên cứu một cách có hệ thống về tính chất tr−ợt của bánh xe máy kéo nhỏ và đặc tính kéo bám của bánh xe khi làm việc trên đất nông nghiệp. Đặt vấn đề và mở ra một h−ớng nghiên cứu nhằm cải thiện khả năng kéo bám cho loại máy kéo nhỏ đẩy tay khi làm việc trên đất có độ ẩm cao. 3.2. ý nghĩa thực tiễn Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh bánh phụ lắp trên bộ phận di động máy kéo BS –12. Cải thiện đáng kể khả năng kéo bám của loại máy kéo này khi làm việc trên đất có độ ẩm cao. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh khung, hệ thống truyền động dùng để khảo nghiệm đặc tính kéo bám của các loại bánh xe sử dụng cho máy kéo nhỏ đẩy tay BS –12. 9 Khảo nghiệm và xây dựng đ−ợc đ−ờng đặc tính kéo bám của bánh xe thiết kế trên một số loại đất nông nghiệp. 4.1. Đối t−ợng và phạm vi nghiên cứu 4.1.1. Đối t−ợng nghiên cứu Đối t−ợng nghiên cứu của đề tài là loại máy kéo nhỏ hai bánh đẩy tay có công suất từ 12 ữ 15 mã lực (loại máy do Việt Nam và Trung Quốc sản xuất đang đ−ợc sử dụng phổ biến ở các tỉnh sản xuất nông nghiệp vùng đồng bằng Bắc Bộ) với bộ phận di động là bánh cao su + bánh phụ – gọi là bánh xe kết hợp - làm việc trên đất nông nghiệp có độ ẩm cao W > 40 trở lên. 4.1.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Sử dụng các cơ sở nghiên cứu lý thuyết về động lực học bánh xe, lý thuyết máy kéo, cơ học đất và và cơ sở tác động đất máy. Các mô hình toán đ−ợc sử dụng để tính toán cũng là các kết quả đã đ−ợc các nhà khoa học trong, ngoài n−ớc nghiên cứu và công bố. Các cơ sở lý thuyết tính toán, lựa chọn các thông số cơ bản của bánh xe chủ động khi làm việc trên đất nông nghiệp. Các lý thuyết về đo l−ờng các thông số quá trình động lực học trong ôtô máy kéo, nghiên cứu và sử dụng ch−ơng trình phần mềm sử lý hiện đại và đa năng nh− Dasylab 7.0. Xây dựng ch−ơng trình hồi qui số liệu thực nghiệm xác định quan hệ giữa hệ số bám và độ tr−ợt theo ngôn ngữ Pascan. Nghiên cứu thực nghiệm Để xác định đ−ợc đặc tính tr−ợt của bánh xe ta phải xác định và tính đ−ợc lực kéo tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe chủ động. Để đạt đ−ợc điều đó cần tiến hành đo mô men xoắn trên trục bánh xe kết hợp theo ph−ơng pháp đo Tenzo với trợ giúp của máy tính số và phần mềm đa năng Dasylab 7.0. Để xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe đ−ợc thực hiện theo ph−ơng pháp cân trực tiếp khung đo, thiết bị đo và bánh xe kết hợp. 10 11 Ch−ơng 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1. Khái quát về tình hình phát triển ngành cơ khí nông nghiệp nói chung và phát triển liên hợp máy kéo nhỏ nói riêng ở n−ớc ta Từ sau hoà bình lập lại 1954, b−ớc vào thời kỳ xây dựng kinh tế, khôi phục đất n−ớc. Đảng và nhà n−ớc ta đã trú trọng ngay việc phát triển ngành cơ giới hóa phục vụ nông nghiệp. Điểm lại lịch sử phát triển của ngành, ta có thể phân chia theo ba giai đoạn. - Từ năm 1954 đến năm 1982: Phần lớn giai đoạn này gắn liền với cuộc kháng chiến chống Mỹ cứu n−ớc. Việc phát triển ngành cơ giới hóa nông nghiệp chỉ ở những b−ớc đầu tiên. áp dụng chủ yếu với các loại máy kéo có công suất từ 40 mã lực trở lên, chủ yếu là máy viện trợ của Liên Xô cũ và một số n−ớc xã hội chủ nghĩa Đông Âu. - Từ năm 1983 đến năm 1990 : Giai đoạn xây dựng đất n−ớc thống nhất sau chiến tranh. Ngành cơ khí nông nghiệp phát triển mạnh mẽ với sự giúp đỡ to lớn của Liên Xô và các n−ớc xã hội chủ nghĩa. - Từ năm 1990 đến nay: Sau khi thực hiện cơ chế khoán X. Ruộng đất đ−ợc chia lâu dài cho các hộ nông dân. Mỗi hộ nông dân đ−ợc coi là một đơn vị kinh tế độc lập, tự chủ trong sản xuất nông nghiệp. Mô hình trạm, đội máy kéo lớn không còn thích hợp nữa. Các liên hợp máy kéo nhỏ phát triển mạnh đóng vai trò quan trọng. Nó đảm nhận hầu hết các công việc trong sản xuất nông nghiệp từ : cày, bừa, vận chuyển, đập lúa, xay xát, bơm n−ớc...v.v. Đặc biệt là khâu làm đất, tỏ ra khá thích hợp với các nền kinh tế thị tr−ờng hiện nay. Khi ruộng đất đ−ợc chia thành lô, thửa có kích th−ớc vừa và nhỏ, rất phù hợp với các vốn đầu t− của các hộ nông dân. Vì thế nhu cầu sử dụng các nguồn động lực, máy kéo nhỏ ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, Trung Bộ còn rất lớn [7]. Trên thị tr−ờng máy kéo nhỏ của Việt Nam hiện nay đa phần là các loại máy của Trung Quốc sản xuất với giá thành rẻ với chất l−ợng ch−a tốt. Các loại máy kéo nhỏ của Nhật Bản sản xuất cũng nhiều, chất l−ợng tốt nh−ng giá thành cao và phụ tùng thay thế khan hiếm, chủ yếu tiêu thụ ở thị tr−ờng các tỉnh phía 12 Nam. Máy do trong n−ớc sản xuất, tuy những năm gần đây chúng ta đã rất cố gắng, có nhiều tiến bộ trong việc thay đổi chủng loại, nâng cao chất l−ợng, phát triển số l−ợng nh−ng giá thành vẫn còn cao hơn so với máy nhập từ Trung Quốc. Mặt khác do chất l−ợng còn hạn chế nên ch−a đáp ứng đ−ợc nhiều các yêu cầu, tính năng kỹ thuật đặt ra. Do đó trong thời gian tới cần đẩy mạnh đầu t− nghiên cứu, tính toán thiết kế. Đổi mới quy trình công nghệ, tạo ra những sản phẩm có chất l−ợng và tính năng kỹ thuật, phù hợp với đặc điểm sản xuất trên đồng ruộng của Việt Nam. Mục tiêu của ngành chế tạo máy n−ớc ta là phấn đấu đến năm 2010 chế tạo đ−ợc khoảng 6000 máy kéo nhỏ cỡ từ 6 ữ15 mã lực trên một năm, chiếm lĩnh đ−ợc thị tr−ờng trong n−ớc góp phần quan trọng vào mục tiêu cơ giới hóa khâu làm đất lên 60 ữ 70% diện tích canh tác nông nghiệp trên cả n−ớc [12]. Một số tính chất động lực học của liên lợp máy kéo Liên hợp máy kéo - máy nông nghiệp luôn làm việc trong điều kiện có tác động ngoài thay đổi. Các tác động ngoài đ−ợc đánh giá là đa yếu tố và đa dạng. Đó là tính chất không bằng phẳng của mặt đồng, tính chất không đồng nhất của đất, tính đa dạng về cơ cấu cây trồng ... v.v. Các yếu tố này chủ yếu ảnh h−ởng đến độ không đồng đều của tải trọng và các chỉ tiêu của quá trình công nghệ mà máy phải hoàn thành, cũng nh− chi phí năng l−ợng. Đối với liên hợp máy khi làm việc thì phải tác động chủ yếu là tác động qua lại giữa các bộ phận làm việc với các đối t−ợng sản xuất nh− : Nguyên vật liệu, phân bón, hạt giống, đất n−ớc...v.v. và giữa bộ phận di động với mặt đồng. Đồng thời khi tính toán và thiết kế máy, các trạng thái thực không đ−ợc xem xét đầy đủ. Đa số các tr−ờng hợp khi tính toán thiết kế ng−ời ta ứng dụng cơ bản là mô hình tĩnh học với sự lý t−ởng hóa đáng kể các điều kiện làm việc thực tế, mà thực ra các yếu tố này rất đa dạng và phức tạp. Cũng theo tác giả [17], thì hoạt động của liên hợp máy có thể đ−ợc xem nh− là phản ứng với kích thích ngoài ở đầu vào các tác động điều khiển. Khi đó sơ đồ tính toán, phân tích các hoạt động của một máy bất kỳ không phụ thuộc vào công dụng của nó, mà có thể đ−a về sơ đồ tổng quát theo nguyên lý đầu vào - đầu ra. Với sơ đồ này việc nghiên cứu chủ yếu là giữa các biến đổi thông số vào và thông số ra, cũng nh− động lực học việc truyền và chuyển đổi các thông số đó. 13 Đặc điểm riêng về động lực học của liên hợp máy kéo nhỏ Đối với liên hợp máy kéo nhỏ ở đây chủ yếu là đề cập đến loại máy kéo đẩy tay, hai bánh và có công suất động cơ từ 7 ữ 15 mã lực. Th−ờng đ−ợc sử dụng loại động cơ một xi lanh, đặt nằm ngang. Có bộ điều chỉnh tốc độ và số vòng quay kiểu bi - đĩa ly tâm. Khi làm việc với các loại máy nông nghiệp trên đồng, th−ờng có tốc độ chậm và khối l−ợng mô men quán tính nhỏ, nên rất nhạy cảm đối với sự thay đổi của tải trọng ngoài. Đặc biệt là trên mặt đồng không bằng phẳng, tính chất đất không đồng nhất. Một đặc điểm quan trọng nữa đã đ−ợc đề cập đến trong [11] là bánh xe máy kéo có đ−ờng kính nhỏ, làm giảm khả năng bám, tăng lực cản lăn của máy kéo khi làm việc trên đất có độ ẩm cao, hoặc trên ruộng n−ớc. Liên hợp máy kéo nhỏ do có trọng l−ợng và bề rộng cơ sở hạn chế, nên khi di chuyển hay làm việc trền đồng rất dễ mất ổn định với các kích thích dao động theo ph−ơng thẳng đứng và ph−ơng nằm ngang. Điều đó ít nhiều ảnh h−ởng tới chất l−ợng canh tác mà máy đang thực hiện. Thí dụ: Khi thực hiện khâu cày đất, do trọng l−ợng của liên hợp máy cày nhỏ, dẫn đến mô men ăn sâu của đ−ờng cày kém, độ mất ổn định tăng. Hơn nữa liên hợp máy kéo hai bánh đẩy tay phần lớn đều sử dụng đ−ờng truyền lực từ động cơ đến phần truyền lực - di động bằng bộ truyền động đai thang. Sử dụng bộ truyền động này có −u điểm là an toàn cho hệ thống truyền lực của máy kéo, nh−ng có nh−ợc điểm là hiệu suất dẫn truyền kém, hạn chế khả năng làm việc của liên hợp máy trên ruộng n−ớc hay trong những tr−ờng hợp phải huy động tối đa lực kéo. Mặt khác do kết cấu hệ thống lái quá đơn giản, điều khiển bằng ly hợp chuyển h−ớng và không có trợ lực lái nên tính năng điều khiển kém, nhất là trong những điều kiện làm việc mặt đồng không bằng phẳng, độ mấp mô lớn, tính chất cơ lý của đất không đồng đều...v.v. Tuy nhiên nếu ta biết cải tiến hệ thống di động của liên hợp máy cho phù hợp với từng công việc, kết hợp với sử dụng chế độ tải trọng, chế độ tốc nâng cao chất l−ợng công việc. độ phù hợp thì sẽ cải thiện đ−ợc điều kiện lái thuận lợi hơn cho ng−ời sử dụng và Khả năng kéo bám của hệ thống di động máy kéo là một chỉ tiêu sử dụng rất quan trọng. Nó thể hiện khả năng đáp ứng công việc của máy ở những điều kiện sử dụng khác nhau. Khả năng này lại phụ thuộc vào các yếu tố nh−: mức độ bám của hệ thống di động, công suất động cơ, tỷ số truyền, phân bố tải trọng, lực cản lăn của máy...v.v. Trong đó kết cấu của hệ thống di động giữ một vai trò hết sức quyết định. Tính chất kéo bám là đặc tr−ng cho quá trình t−ơng tác giữa bánh xe và đất. Việc xác định tính chất kéo bám của bánh xe có thể sử dụng một số ph−ơng pháp khác nhau. Trong đó ph−ơng pháp thí nghiệm bánh xe, tuy rằng 14 ch−a thể đạt đ−ợc đến một mức độ khái quát hóa hết các kết quả thí nghiệm song lại có thể hệ thống hóa các kết quả đó theo kết cấu bánh xe và điều kiện mặt đồng với trang thiết bị thí nghiệm và chi phí phù hợp với điều kiện Việt Nam. Trong phạm vi của đề tài này, chúng tôi chỉ đề cập đến vấn đề cải thiện khả năng kéo bám của bộ phận di động loại máy kéo nhỏ cho phù hợp hơn khi làm việc trên đất có độ ẩm cao. (W > 40%) ở vùng đồng bằng Bắc Bộ. Với loại máy tiêu biểu nhất là Bông Sen - 12 do Việt Nam chế tạo (các loại máy kéo do Trung Quốc sản xuất hiện đang có mặt rất phổ biến trên thị tr−ờng là: GN- 91 có công suất 12 mã lực và GN-111 có công suất 15 mã lực, đều có cấu tạo và tính năng kỹ thuật t−ơng tự). 1.2. Đặc điểm về máy kéo nhỏ hai bánh 1.2.1. Máy kéo Bông Sen - 12 (BS -12) BS -12 là loại máy kéo nhỏ đẩy tay, hai bánh do nhà máy cơ khí nông nghiệp Hà Tây sản xuất. Máy có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, công suất động cơ 12 mã lực (8,8 kw), rất phù hợp làm việc trên những thửa ruộng có diện tích nhỏ, trong v−ờn rau, v−ờn cây ăn quả, ở vùng đồi núi có độ dốc không lớn. Máy kéo BS –12 có thể liên hợp với: cày (hai l−ỡi), phay, máy vun luống, san đất, xới đất...v.v. để thực hiện khâu làm đất. Ngoài ra còn liên hợp với một số loại máy móc nông nghiệp khác để thực hiện các khâu: gặt lúa, đập lúa, bơm n−ớc, kéo rơ moóc vận chuyển...v.v. + Máy kéo nhỏ 2 bánh đẩy tay BS-12 chỉ ra trên hình 1.1 15 1. Động cơ 2. Đèn 3. Dây đai 4. Bánh căng đai 5. Bộ ly hợp 6. Hộp truyền động 10. Tay gạt ly hợp 11. Công tắc 12. Tay ga 13. Tay chuyển h−ớng 14. Lắp kéo moóc 15. Bán trục 7. Hộp số 8. Tay cầm 9. Tay gạt số 16. Bánh hơi 17. Khung đỡ máy Hình 1.1 Các bộ phận chính của máy kéo BS - 12 16 Bảng 1.1. Một số thông số kỹ thuật của máy kéo BS -12 (Khi lắp bánh hơi P = 2kG/cm2) Kích th−ớc bên ngoài (mm)(dài x rộng x cao) 2680 ì 960 ì 1250 Khoảng cách thấp nhất đến mặt đất (mm) 200 Khoảng cách hai bánh (mm) 810; 750;690;590;530 Khối l−ợng kết cấu (Kg) 340 Tốc độ : Tiến 1,4; 2,5; 4,1; 5,3; 9,4; 15,3 Lùi 1;3;8 Động cơ : Ký hiệu 1B,5/11,5 Công suất định mức (ml) 12 Tốc độ định mức (v/ph) 2000 Tiêu hao nhiên liệu (g/ml.h) 200 Khối l−ợng (Kg) 130 Bộ ly hợp 2 tấm ma sát Hộp số Truyền động bánh răng (3+1) ì 2 Cơ cấu lái Ly hợp vấu 17 1.2.2. Máy kéo GN - 91 và GN - 111 ( Trung Quốc sản xuất ) + Liên hợp máy kéo GN-91 với phay đ−ợc chỉ ra trên hình 1.2 H Hình 1.2. Các bộ phận chính của máy kéo GN - 91 và GN – 111 liên hợp với cày trụ hai l−ỡi 1. Động cơ 2. ống xả 3. Bộ lọc 6. Ghế ngồi 7. Bánh xe 8. Thân cày 4. Hộp số 5. Tay gài ly hợp 9. Bánh xe máy kéo + Một số thông số kỹ thuật chính của hai loại máy kéo GN – 91 và GN- 111 (do Trung Quốc sản xuất ). 18 Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật của máy kéo GN – 91 và GN - 111 (Khi lắp bánh hơi P = 2kG/cm2) Kích th−ớc bên ngoài(mm) GN – 91 GN – 111 2345 ì 980 ì 1350 2900 ì 980 ì 1350 Khoảng cách thấp nhất đến mặt đất (mm) Khoảng cách hai bánh (mm) GN – 91 GN – 111 570; 630; 690; 750; 810 570; 630; 690; 750; 810 Khối l−ợng kết cấu (Kg) GN – 91 GN – 111 360 374 Tốc độ ( Km/h) : Tiến GN – 91 GN – 111 1,98; 3,52; 5,91; 7,33; 13,01; 21,85 2,18; 3,87; 6,50; 8,06; 14,31; 24,03 Lùi GN – 91 GN – 111 1,56; 5,78 1,72; 6,36 Động cơ Ký hiệu GN – 91 GN – 111 S -195 EM-195 Công suất định mức (KW) GN – 91 GN – 111 8,8 11,03 Tốc độ định mức (v/ph) GN – 91 GN – 111 2000 2200 Đai truyền Đai thang Bộ ly hợp 2 tấm ma sát Hộp truyền động Truyền động xích Hộp số Truyền động bánh răng (3+1) ì 2 Truyền động cuối cùng Bằng giảm tốc 2 cấp Cơ cấu lái Ly hợp vấu 19 1.2.3. Đặc điểm một số bộ phận di động của máy kéo BS-12 Bánh hơi. (Bánh cao su) Khi lắp với máy kéo chủ yếu để sử dụng : Di chuyển trên đ−ờng, khi vận chuyển, làm việc trên ruộng khô hoặc ruộng có độ ẩm thấp. Nh−ợc điểm: Không thể làm việc đ−ợc trên ruộng có độ ẩm cao hoặc ruộng n−ớc. Bánh phụ lắp kèm với bánh hơi. Khi máy kéo lắp các loại bánh này có thể làm việc đ−ợc trên đất có độ ẩm cao hoặc ruộng n−ớc. Nh−ợc điểm: Không thể di chuyển đ−ợc trên đ−ờng nền cứng, lắp ráp phức tạp. Trong quá trình làm việc, nếu không th−ờng xuyên chăm sóc, bảo d−ỡng bánh phụ có thể bị lỏng ra không ôm chặt vào bánh lốp sẽ làm hỏng bánh lốp. Hình 1.3. Bánh phụ kết hợp với bánh hơi 1 - bánh trụ 2 - trụ ren 3 - ống ren 4- đai ốc hãm 5 - bánh hơi Bánh mấu (Bánh sắt) Với các loại bánh này máy kéo nhỏ có thể làm việc đ−ợc ở ruộng n−ớc, ruộng ẩm −ớt. Nh−ợc điểm: Không dùng di chuyển đ−ợc trên đ−ờng hay trên nền cứng. Tháo lắp phức tạp, khó điều khiển, chi phí nhiên liệu cao. 20 Hình 1.4. Bánh sắt Bánh lồng. Đây vừa là bộ phận di chuyển vừa là công cụ làm đất ruộng n−ớc của máy kéo nhỏ. Nó có thể làm việc trên ruộng ngập n−ớc với mức n−ớc có độ sâu từ 10 ữ 20 cm. Có khả năng chống lầy và làm nhừ nhuyễn đất, dìm cỏ, rạ. Th−ờng làm việc với liên hợp máy kéo BS -12 + máy phay. Hình 1.5 Bánh lồng Nh−ợc điểm: Không di chuyển đ−ợc trên đ−ờng và nền cứng, tháo lắp phức tạp, khó điểu khiển, chi phí nhiên liệu cao và khả năng di chuyển trên nền ruộng có độ ẩm cao (nhiều bùn) kém. 21 1.3. Đặc điểm về đất nông nghiệp ảnh h−ởng đến khả năng di động của máy kéo 1.3.1. Độ ẩm của đất nông nghiệp ở đất tự nhiên, trong đó có các loại đất dùng cho nông nghiệp bao giờ cũng chứa một l−ợng n−ớc nhất định. N−ớc trong đất hòa tan các loại khoáng chất, d−ỡng chất giúp cho bộ rễ cây dễ dàng hấp thụ đ−ợc để nuôi cây phát triển. L−ợng n−ớc có trong đất sẽ làm thay đổi nhiều tính chất cơ lý của đất. L−ợng n−ớc trong đất đ−ợc biểu thị bằng độ ẩm, chỉ số độ ẩm của đất có ý nghĩa rất quan trọng không chỉ với mùa vụ cây trồng mà còn với cả sự hoạt động của máy móc phục vụ cơ giới hoá các khâu canh tác trong nông nghiệp. Độ ẩm của đất biểu thị l−ợng n−ớc có trong đất ở một độ sâu nhất định. Có thể phân độ ẩm của đất ra các loại nh− sau [6] : - Độ ẩm cây héo : Chỉ l−ợng n−ớc còn ở trong mỗi loại đất mà cây không thể hút đ−ợc, lúc đó cây bắt đầu héo rồi chết. - Độ ẩm toàn phần : Chỉ sức chứa ẩm tối đa của mỗi loại đất khi các lỗ rỗng của đất chứa đầy n−ớc. - Độ ẩm t−ơng đối : Chỉ l−ợng n−ớc trong đất so với độ ẩm toàn phần của mỗi loại đất. - Độ ẩm tuyệt đối : Chỉ l−ợng n−ớc đang có trong đất so với trọng l−ợng các loại đất rắn của mỗi loại đất. - Độ ẩm đất ở giới hạn nhão. Chỉ l−ợng n−ớc có trong mỗi loại đất mà khi v−ợt quá giới hạn thì đất sẽ chuyển dang trạng thái nhão −ớt. - Độ ẩm của đất ở giới hạn lăn. Chỉ l−ợng n−ớc có trong mỗi loại đất, mà khi giảm nhỏ hơn giới hạn thì dất chuyển sang trạng thái khô nứt. - Trong phạm vi đề tài này, độ ẩm đ−ợc sử dụng chủ yếu là loại độ ẩm tuyệt đối của đất. Ký hiệu là: W%. Công thức tính độ ẩm: W% = gg gg 02 21 − − .100 (1.1) Trong đó: g1- trọng l−ợng hộp + mẫu đất tr−ớc khi sấy (g). g2- trọng l−ợng hộp + mẫu đất sau khi sấy khô kiệt (g). g0- trọng l−ợng không (g). Đây là công thức thực nghiệm. Đất đ−ợc lấy mẫu tại ruộng bằng dụng cụ chuyên dùng, phân tích trong phòng thí nghiệm theo ph−ơng pháp chung. 22 Theo tác giả [6], cho rằng nhiều kết quả thực nghiệm đất đã chứng tỏ khi độ ẩm thay đổi thì tính chất cơ lý của đất cũng thay đổi. Nghiên cứu động thái độ ẩm của đất ở từng vùng để có căn cứ chọn thời gian, chọn loại máy làm đất hoặc máy chăm sóc cây trồng phù hợp với thời gian, tính chất của đất ở mỗi địa ph−ơng. Dựa vào tính chất của đất và thời gian mùa vụ trong năm. Đất nông nghiệp ở đồng bằng Bắc Bộ đ−ợc phân loại theo độ ẩm nh− sau : - Đất khô: Là đất có độ ẩm rất thấp. (có W<15%), nh− đất cuối vụ làm đất mùa khô ở đồng bằng sông Hồng (tháng 1). Đối với loại đất này làm đất không thích hợp vì tốn năng l−ợng và dễ gây hao mòn, h− hỏng công cụ, máy móc. - Đất ẩm: Là đất có độ ẩm vừa phải (W khoảng 20 ữ 30). Nh− đất giữa vụ đông xuân ở miền Bắc (tháng 11 ữ 12). Đây là đất rất thích hợp với yêu cầu nông học và yêu cầu cơ khí trong việc làm đất. - Đất có độ ẩm cao (đất −ớt) có W = 40 ữ 45 % trở lên. Nh− đất vụ đông xuân ở miền Bắc (tháng 10 ữ 11) hoặc đất trong vụ gặt lúa nhiều vụ ở các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ. Đất này đòi hỏi máy kéo phải có cả cơ cấu di động thích hợp thì mới làm việc đ−ợc. ảnh h−ởng của độ ẩm đến lực cản chuyển động của máy kéo: Theo một số tác giả đã nghiên cứu thì lực cản chuyển động của máy kéo tăng khi độ ẩm của đất tăng. Giữa độ ẩm và hệ số cản lăn có quan hệ theo công thức: fw = fw0[1 + Kf ( W n - Wn 0 )] (1.2) Trong đó: fw0 - hệ số cản lăn của máy kéo khi làm việc trên đất có độ ẩm định mức (W = 20%). Kf - hệ số tính ảnh h−ởng độ ẩm của đất đến lực cản chuyển động của máy kéo; n - hệ số mũ. Đối với máy kéo bánh hơi: n = 1,63 ; Kf = 0,0003. ảnh h−ởng của độ ẩm đến độ tr−ợt của máy kéo Sự liên quan của độ ẩm của đất (W) đến độ tr−ợt của máy kéo (δ ) thể hiện qua công thức: δw = δw0[1 + Kδ (W n - Wn0)] (1.3) Trong đó: δw - độ tr−ợt của máy kéo ứng với độ ẩm của đất W%. 23 δw0 - độ tr−ợt của máy kéo ứng với độ ẩm định mức (%) Kδ - hệ số tính đến độ ẩm của đất và bằng 0,00039 đối với máy kéo bánh hơi. n - hệ số mũ bằng 2, 4, 3. 1.3.2. Độ chặt của đất nông nghiệp (H kg/cm2) Khi liên hợp máy làm việc trên ruộng, có nhiều bộ phận tác động lên các lớp đất nh− : cơ cấu di động của máy kéo, các bộ phận làm việc của máy nông nghiệp. (l−ỡi cày, l−ỡi bừa, l−ỡi xới, l−ỡi rạch hàng. . .v.v.). Trong đó có sự tác động trực tiếp lên đất của các bánh xe máy kéo tạo thành độ lún của vết bánh xe và lực cắt của mấu bám. Độ chặt của đất là một trong những thông số cơ bản xác định địa bàn sử dụng, các kiểu loại máy kéo và hệ thống di động của nó làm việc trên các loại đất, nhất là đất có độ ẩm cao (đất −ớt) và đất ngập n−ớc. Thông số này còn cần thiết cho việc tính toán, thiết kế máy, đánh giá độ khó khăn của việc làm đất. Độ chặt còn gọi là độ cứng của đất, là lực cản riêng của đất tính trên mỗi đơn vị diện tích đầu đo đ−ợc ấn từ trên xuống d−ới theo ph−ơng thẳng đứng : Ký hiệu H (kg/cm2) xác định theo công thức: H( kg/cm2) = F.L K.S = F K.hcp (1.4) Trong đó: S - là diện tích của giản đồ lực đo (mm2); l - chiều dài của lực giản đồ (mm); K - hệ số lò xo của trang bị đo (Kg/mm); F - diện tích của đầu đo (cm2); hcp - chiều cao trung bình của đ−ờng biểu diễn lực đo (mm). Nhiều kết quả thực nghiệm trên đất nông nghiệp Việt Nam cho thấy giữa độ chặt và độ ẩm của đất có mối quan hệ đ−ợc biểu diễn bởi đ−ờng cong có dạng Hypecbol một nhánh [6]. 24 1 - độ sâu lớp đất từ 0 ữ 10 cm ; 2 - độ sâu lớp đất từ 20 ữ 30 cm 1.3.3. Hệ số ma sát ngoài của đất Một số bộ phận làm việc và di động của máy kéo, máy nông nghiệp nh−: Bánh xe, l−ỡi cày, l−ỡi bùa, l−ỡi xới, bàn ben ủi...v.v. Khi tiếp xúc và di chuyển t−ơng đối với lớp đất mặt hay trong các lớp đất nền. Thì giữa các bề mặt tiếp xúc của chúng với đất luôn có lực ma sát cản lại chuyển động của máy. Lực ma sát đó phụ thuộc vào tính chất của mỗi loại đất, độ ẩm, tình trạng bề mặt vật liệu của._. bộ phận làm việc, áp suất pháp tuyến, tốc độ tr−ợt...v.v. Hệ số ma sát ngoài giữa đất và bề mặt bộ phận làm việc tiếp xúc với đất đ−ợc xác định theo công thức. f = tgϕ (1.5) Trong đó: f - hệ số ma sát ngoài giữa đất và vật kiệu ϕ - góc ma sát giữa vật liệu và đất (độ). Qua thực nghiệm cho thấy [6] độ chênh lệch về trị số giữa các lớp đất t−ơng đối lớn. Hệ số ma sát tăng theo độ sâu từ 0 ữ 25 cm. Đến độ sâu 25 ữ 30cm, trị số f bắt đầu giảm. Thể hiện sự liên quan giữa hệ số ma sát ngoài (f) và 1 2 3 1 2 3 4 5 1 2 W 0 a (cm) Hình 1.6. Biểu đồ trình bày mối quan hệ giữa độ chặt và độ ẩm của đất phù xa trồng hai vụ lúa đại diện cho vùng đồng bằng Bắc Bộ 25 độ sâu các lớp đất (a) trên hình 1.7, thí nghiệm trên loại đất phù sa thịt nặng, trồng lúa hai vụ có độ ẩm cao (đất −ớt). Hình 1.7 Hệ số ma sát phụ thuộc vào độ sâu các lớp đất. Theo tác giả [11] qua kết quả thực nghiệm trên một số loại đất chính ở Việt Nam cho thấy, khi đất quá khô và đất ở trạng thái bùn nhão ngập n−ớc thì có trị số f nhỏ. Đất ở một giới hạn nhất định thì trị số f lại bắt đầu giảm. Trị số f giảm nhanh khi độ ẩm của đất đạt quá bộ bão hòa, đất bắt đầu ngập n−ớc. Các loại đất phù sa trồng lúa n−ơc có thành phần cơ giới thịt nặng, hoặc thịt trung bình ở Việt Nam có trị số f lớn nhất khi độ ẩm từ 50 ữ 57%. Tr−ờng hợp ruộng ở trạng thái độ ẩm rất cao mất lấm (đất −ớt), nhiều khi hệ số ma sát ngoài của lớp đất mặt tiếp xúc với thép lên đến 1,4 ữ 1,6. Sự phụ thuộc của hệ số ma sát f vào độ ẩm W% của đất phù sa trồng lúa n−ớc từ trạng thái khô đến trạng thái bùn nhão, ngập n−ớc đ−ợc thể hiện trên hình 1.8. 1.3.4. Lực dính giữa đất và thép Khi máy làm việc trên đất có độ ẩm cao th−ờng có hiện t−ợng bị dính đất vào các bộ phận làm việc của máy nông nghiệp và hệ thống di động của máy kéo, có tr−ờng hợp đất dính chặt xung quanh các mấu bám, vành bánh, l−ỡi, diệp 10 20 30 40 Hình 1.8 Hệ số ma sát giữa đất và thép, khi đất có những độ ẩ khá h 26 cày, bừa ...v.v làm cho liên hợp máy không thể di chuyển đ−ợc. Có hai loại lực dính : - Lực dính pháp tuyến: Sinh ra khi tách vật liệu đo khỏi mặt đất theo ph−ơng thẳng góc với bề mặt tiếp xúc. - Lực dính tiếp tuyến: Sinh ra khi tách vật liệu đo khỏi mặt đất theo ph−ơng song song với bề mặt tiếp xúc. Căn cứ vào đặc điểm dính bết của đất để các nhà thiết kế tính toán thiết kế máy, còn ng−ời sử dụng máy thì chọn thời gian thích hợp để máy làm việc phù hợp với tính chất mỗi loại đất. Lực dính pháp tuyến giữa đất với thép đ−ợc tính bằng G/cm2 đ−ợc xác định theo công thức: D = F P (G/cm2). (1.6) Trong đó: P - trọng l−ợng n−ớc tạo lực tách đầu đo khỏi mặt đất (G) F - diện tích tiếp xúc giữa đầu đo với mẫu đất (cm2) Lực dính giữa đất và thép phụ thuộc vào các yếu tố: - Độ sâu của đất canh tác: Qua kết quả thực nghiệm cho thấy nói chung từ lớp đất mặt đến các lớp đất sâu 20 ữ 25 cm, lực dính của đất tăng dần. Từ độ sâu 25 ữ 30 cm trở xuống lực dính giữa đất với thép bắt đầu giảm. Điều này đ−ợc thể hiện trên hình 1.9. Hình 1.9 Lực dính phụ thuộc độ sâu các lớp đất (áp suất nén δ = 0,2 kG/cm2) 1 - đất lầy thụt, thịt nặng, nhiều sét, trồng một vụ lúa; 2 - đất có nền, trồng hai vụ lúa. Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi đất kho lực dính giữa đất và thép nhỏ. Lực dính của đất tăng dần khi độ ẩm của đất tăng. Khi độ ẩm của đất tăng gần tới độ ẩm bão hòa thì trị số lực dính giữa đất tăng gần tới độ bão hòa thì trị số lực dính giữa đất và thép cao nhất. Khi độ ẩm của đất đạt bão hòa thì lực dính của đất bắt đầu giảm. L−ợng n−ớc trong đất càng cao, thì lực dính giữa đất với thép càng giảm. Khi đất ngập n−ớc đến mức độ đất tự rã thành dạng bùn lỏng thì lực dính giữa đất với thép lại nhỏ. Qua nhiều thực nghiệm trên đất phù sa trồng lúa n−ớc ở Việt Nam cho thấy: Lực dính giữa đất và thép phụ thuộc vào áp suất nén đ−ợc biểu hiện bởi 27 những đ−ờng thẳng không đi qua góc tọa độ khi đất có độ ẩm nhỏ hơn 42%. Khi đất có độ ẩm lớn hơn 42% thì mối quan hệ giữa chúng đ−ợc biểu hiện bởi những đ−ờng cong dạng bậc hai. Kết quả thực nghiệm điển hình đ−ợc trình bày ở hình 1.10. Hình 1.10 Biểu diễn mối quan hệ giữa lực dính của đất và thép phụ thuộc vào độ ẩm của đất. Hình 1.11 Lực dính giữa đất và thép phụ thuộc vào độ ẩm của đất 1.3.5. Lực cản lăn của đất khi xê dịch Khi máy kéo dịch chuyển có tải trọng trên móc kéo, mấu bám của bánh xe sẽ dịch chuyển đất về phía ng−ợc lại với chiều chuyển động của máy kéo. ở trong mặt phẳng tác động t−ơng hỗ giữa di động và đất sẽ xuất hiện lực ma sát. Những lực ma sát này là các phản lực tiếp tuyến của các lực bên ngoài tác động tới. Khi các lực này tăng làm cho ma sát cũng tăng, nh−ng không v−ợt qua giới hạn: Fn = fn.G (1.7) Trong đó: Fn - lực ma sát tĩnh (N) 28 fn - hệ số ma sát tĩnh. G - tải trọng pháp tuyến (N) Hình 1.12 Lực dính phụ thuộc vào áp suất nén trên đất có độ ẩm khác nhau. Đất phù sa thịt nặng, trồng hai vụ lúa. Lớp đất mặt 0 ữ 10cm 1- W = 47,7 % ; 2- W = 42,9 % ; 3- W = 36,4 % ; 4- W = 29,7 Khi các lực bên ngoài lớn bằng giới hạn trên sẽ xuất hiện sự dịch chuyển t−ơng đối. Trong tr−ờng hợp này sẽ xuất hiện hiện t−ợng tr−ợt. Lực ma sát tr−ợt bằng tích các hệ số ma sát tr−ợt nhân với tải trọng pháp tuyến G. FT = fT . G (1.8) Trong đó: FT - lực tr−ợt (N) fT - hệ số ma sát tr−ợt G - tải trọng pháp tuyến Thông th−ờng fn > fT Khi cơ cấu di động của máy kéo tác động vào đất, chế độ làm việc luôn luôn thay đổi và chuyển từ trạng thái tĩnh t−ơng đối, sang trạng thái động t−ơng đối. Do đó các lực tiếp tuyến xuất hiện trên các bề mặt tiếp giáp không chỉ đơn thuần xác định bằng tích của hệ số không đổi với tải trọng pháp. Trong một số thí nghiệm đ−ợc nêu ở [14], [16], cho thấy: Trong quá trình xê dịch của các bề mặt, lực T là một hàm số của độ dịch chuyển t−ơng đối ∆0. 29 Nếu quy lực tác dụng cho một đơn vị diện tích của các vật tiếp xúc, có thể viết đẳng thức sau đây: S T = τ = ψ(∆) (1.9) ở đây : T - lực tiếp tuyến. S - diện tích của các vật tiếp xúc. τ - ứng suất tiếp tuyến. ∆ - độ dịch chuyển t−ơng đối. Qua thí nghiệm cho thấy khi tăng độ xê dịch của vật (bánh xe, dải xích so với mặt đất), ứng suất tiếp tuyến lúc đầu tăng tỉ lệ thuận đối với độ dịch chuyển và sau đó tỉ lệ thuận bị phá và ở trị số dịch chuyển ∆0 ứng suất tiếp đạt giá trị cực đại, nghĩa là : τ = τmax = fn.q. ở đây q là áp suất riêng ( KG/cm2). Nếu tiếp tục dịch chuyển, ứng suất tiếp tuyến τ bắt đầu giảm xuống và tiếp cận với giá trị: τT = fT.q (τT : ứng suất tr−ợt). Nh− vậy có thể xem là lực ma sát không đổi và không phụ thuộc vào biến dạng khi có độ xê dịch lớn. Xác định quy luật thay đổi của ứng suất xê dịch có ý nghĩa trong việc xác định những thông số của hệ thống di động máy kéo. 1.4. Đặc tính kéo bám của bánh xe Khi tính toán lựa chọn thành lập liên hợp máy cho một công việc nông nghiệp nhất định, làm việc trên nền đất cụ thể thì cần thiết chúng ta phải dựa vào kết cấu bộ phận di động, cũng nh− khả năng bám của bánh xe trên nền đất t−ơng ứng. Các thông số này sẽ có đ−ợc trong các sổ tay thiết kế bánh xe và h−ớng dẫn của nhà sản xuất. Tuy nhiên điều này đối với các bánh xe máy kéo trong n−ớc chế tạo hiện vẫn ch−a có đ−ợc. Đây cũng là một vấn đề cần nghiên cứu và thực hiện đối với các bánh xe thiết kế cũng nh− khảo nghiệm đối với các bánh xe đã có, để có thể tập hợp đ−ợc hệ thống các đ−ờng đặc tính của các bánh xe đối với máy kéo BS - 12. Với mỗi loại bánh xe nhất định thì cần phải có đặc tính của bánh xe. Đ−ờng đặc tính này phản ánh khả năng làm việc của bánh xe trên nền đất t−ơng ứng với tải trọng tác dụng lên bánh xe. Ngoài ra nó còn giúp cho việc tính toán quan hệ đất bánh khi khảo sát chế độ động lực học của liên hợp máy kéo nhỏ cũng nh− để tính toán các chỉ tiêu động lực và kinh tế của liên hợp máy kéo. 30 Việc xác định đ−ờng đặc tính kéo bám của bánh xe chính là xác định quan hệ giữa hệ số bám à và độ tr−ợt δ của bánh xe: à = f(δ) đối với bánh xe máy kéo lớn đã đ−ợc nhiều tác giả quan tâm và giải quyết [9], [15]. Đối với bánh xe máy kéo nhỏ đặc biệt với bánh xe máy kéo BS -12 đã đ−ợc tác giả [11] nghiên cứu và mới chỉ xác định đặc tính kéo bám đối với bánh hơi trên đ−ờng bê tông và trên đất gốc rạ theo ph−ơng pháp khảo nghiệm trực tiếp bánh xe. 1.5. Đặc điểm đất đai vùng đồng bằng sông Hồng có ảnh h−ởng đến sự làm việc của liên hợp máy kéo nhỏ trên đồng đất có độ ẩm cao Đất trồng lúa ở đồng bằng sông Hồng cũng nh− ở các tỉnh đồng bằng phía Bắc n−ớc ta đều có độ ẩm cao và hay ngập n−ớc. ở đất có độ ẩm cao, một số tính chất cơ lý của đất giảm đi rõ rệt, nhất là ở lớp đất bề mặt. Độ dính, bám của đất tăng gây khó khăn đáng kể cho sự hoạt động của liên hợp máy. Thông th−ờng trên đất có độ ẩm cao đ−ợc chia làm hai lớp không rõ rệt. Lớp mặt có độ chặt nhỏ, độ sâu trung bình từ 13 ữ 15cm. T−ơng ứng với độ sâu của tầng đất canh tác. Do lớp đất mặt có độ bền cơ học yếu nên khi máy kéo di chuyển trên bề mặt ruộng tạo thành vết bánh gây lực cản chuyển động lớn. Cũng do lớp đất bề mặt yếu nên bánh máy kéo dễ bị tr−ợt lăn nhiều kể cả khi chạy không. Nền là lớp đất t−ơng đối cứng, chắc ở độ sâu 15 ữ 25 cm, d−ới lớp đất canh tác. Trong quá trình làm việc nhờ lực tác động t−ơng hỗ giữa bánh xe máy kéo và nền đất tạo thành lực kéo của liên hợp máy. Đặc điểm quan trọng nhất của đất có độ ẩm cao là độ dính, bám của đất đến các bề mặt tiếp xúc của máy với đất. Do lực dính bám lớn, gây cản chuyển động nên công suất tiêu hao cho lăn và tr−ợt cũng lớn hơn so với khi di chuyển trên các loại đất khác. Mức độ dính bám của đất phụ thuộc vào thành phần cơ lý của đất, mức độ ngập n−ớc và kết cấu của hệ thống di động. Trong điều kiện đất có độ ẩm cao, khả năng di động của liên hợp máy phụ thuộc vào áp suất riêng trên đất, phụ thuộc vào tính chất kéo bám của hệ 31 thống di động, phụ thuộc vào nguồn dự trữ công suất của động cơ để thắng độ tr−ợt và lực cản của chuyển động vào tính chất đất, chiều cao gầm máy, đặc điểm kết cấu và lực cản của máy nông nghiệp. Địa hình và kích th−ớc ruộng đồng là chỉ tiêu quan trọng ảnh h−ởng đến năng suất, chi phí nhiên liệu và điều kiện làm việc của liên hợp máy. Xác định đúng địa hình, kích th−ớc ruộng đất ở từng vùng sản xuất là một trong những cơ sở để nghiên cứu chọn kiểu, loại công cụ, máy móc nông nghiệp cho phù hợp. Việc xác định địa hình và kích th−ớc đồng ruộng ở từng vùng sản xuất đ−ợc tiến hành theo ph−ơng pháp kết hợp giữa điều tra trên thực địa với việc sử dụng bản đồ giải thửa và thống kê, tổng hợp số liệu của ngành quản lý ruộng đất. Do tính chất, đặc điểm của việc sản xuất cây lúa n−ớc và do tập quán canh tác của bà con nông dân n−ớc ta nên kích th−ớc, diện tích một thửa ruộng trồng lúa t−ơng đối nhỏ. Vùng đồng bằng sông Hồng là khu vực có diện tích canh tác cây lúa n−ớc lớn nhất phía Bắc. Đồng thời t−ơng đối bằng phẳng, tập trung thành những cánh đồng lớn. Tuy vậy vẫn bị chia cắt bởi những con sông, ao, hồ, m−ơng máng...v.v. Hơn nữa các diện tích canh tác này còn bị chia nhỏ, manh mún cho các hộ sản xuất. Với diện tích trên một triệu héc ta đã chia thành hơn m−ời sáu triệu thửa ruộng nhỏ. Mỗi thửa ruộng có chiều dài từ 50 ữ 100m và chiều rộng từ 10 ữ 30 m nên thích hợp với việc sử dụng các liên hợp máy nông nghiệp cỡ nhỏ. Nh−ng để liên hợp máy có khả năng di động tốt, đặc biệt là trên những thửa ruộng có độ ẩm cao thì cần thay thế những loại bánh thông th−ờng bằng những bánh cải tiến phù hợp. Những loại bánh này phải đảm bảo có đủ lực bám, có độ tr−ợt và lực cản chuyển động nhỏ. Đồng thời có khả năng tự làm sạch tốt và có thể di chuyển đ−ợc trên nền đ−ờng cứng. 1.6. Tình hình nghiên cứu, cải tiến và sử dụng các bộ phận di động cho máy kéo nhỏ làm việc trên đất nông nghiệp ở n−ớc ta 32 Việt Nam là một n−ớc nằm trong khu vực trồng cây lúa n−ớc và có nền văn minh lúa n−ớc. Diện tích trồng cây lúa n−ớc trên toàn thế giới khoảng gần 150 triệu héc ta (trong đó châu á là chiếm chủ yếu). Có nhiều quốc gia, từ nhiều năm nay đã chú trọng việc cơ giới hóa trồng cây lúa n−ớc. Nhật Bản là một n−ớc dẫn đầu, chủ yếu dựa vào các loại máy kéo nhỏ hai bánh và bốn bánh có công suất từ 30 ữ 40 mã lực trở xuống. Ngoài các loại bánh cao su mấu bám cao máy kéo còn đ−ợc trang bị nhiều kiểu, nhiều loại bánh xe có kết cấu phù hợp với từng loại đất, từng loại công việc. Nh−ng nhìn chung hiện nay để làm việc ở ruộng n−ớc, hệ thống di động máy kéo th−ờng có hai loại chính thay cho bánh hơi: - Loại làm việc trên ruộng có nền: trên bánh di chuyển có mấu bám dạng đặc biệt, chìm sâu vào lớp nền cứng ở d−ới đất lớp mặt, tạo lực kéo bám cho máy kéo: bánh phụ, bánh mấu, bánh lồng. - Loại làm việc trên ruộng mất nền (lầy thụt): có lắp thêm bộ phận hạn chế độ chìm sâu cho máy kéo : tấm phao, thuyền phao, tấm tr−ợt, bánh xe rộng bản ...v.v khả năng kéo, bám của máy kéo nhờ vào khả năng “bơi” của máy trên mặt ruộng. Máy kéo nhỏ ở n−ớc ta đ−ợc sử dụng rộng rãi từ những năm 90 của thế kỷ XX. Nh−ng việc nghiên cứu, cải tiến hệ thống di động của loại máy kéo này cho phù hợp với điều kiện làm việc trên đất có độ ẩm cao ch−a đ−ợc quan tâm đúng mức. Chủ yếu vẫn là sản xuất và sử dụng các loại di động theo mẫu thiết kế sẵn từ n−ớc ngoài. Đặc thù của đất nông nghiệp Việt Nam đất ẩm, ruộng canh tác có nền yếu, vùng đất có độ ẩm cao t−ơng đối rộng lớn, nhất là về thời vụ cuối hè - thu, đầu đông - xuân. Các bộ phận di động kể trên của máy kéo nhỏ hai bánh làm việc ch−a phù hợp hoặc có hiệu quả rất thấp. Vấn đề đặt ra cho đề tài là thiết kế lựa chọn bánh xe phù hợp cho máy kéo nhỏ đẩy tay làm việc trên vùng đất có độ ẩm cao. Để góp phần giải quyết vấn đề trên, tôi đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu khả năng kéo bám của bánh xe kết hợp máy kéo BS -12 làm việc trên đất có độ ẩm cao”, nhằm có những cải thiện đáng kể tăng lực kéo bám cho liên hợp máy khi 33 làm việc. Giúp ng−ời nông dân sử dụng liên hợp máy kéo nhỏ trong khâu làm đất trên loại đất có độ ẩm cao đ−ợc hiệu quả hơn. 1.7. Nội dung của đề tài 1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính chất kéo bám của bánh xe máy kéo. 2. Nghiên cứu những tính chất tr−ợt của bánh xe. 3. Thiết kế chế tạo bánh phụ lắp cho máy kéo BS -12. 4. Thiết kế, chế tạo khung đo khảo nghiệm đặc tính bánh xe. 5. Khảo nghiệm xác định đặc tính kéo bám của bánh xe chế tạo. 34 Ch−ơng 2 Một số cơ sở lý thuyết và tính chất kéo bám của bánh xe 2.1. Lực kéo trên bánh chủ động 2.1.1. Lực kéo tiếp tuyến Quá trình t−ơng hỗ giữa bánh xe với mặt đ−ờng hoặc đất xảy ra rất phức tạp, song dựa vào về nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động ta có thể biểu diễn nh− hình vẽ sau: Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động D−ới tác dụng của mômen chủ động MK, bánh xe tác động lên mặt đ−ờng một lực chủ động P. Ng−ợc lại mặt đ−ờng tác dụng lên bánh xe một phản lực tiếp tuyến PK cùng chiều chuyển động với máy kéo và có giá trị bằng lực chủ động P (PK=P). Lực tiếp tuyến PK của mặt đ−ờng tác dụng lên bánh xe đẩy máy kéo chuyển động. Do vậy phản lực tiếp tuyến PK đ−ợc gọi là lực kéo tiếp tuyến, đôi khi còn đ−ợc gọi là lực chủ động. Về bản chất, lực kéo tiếp tuyến là phản lực của đất tác dụng lên bánh xe do mômen chủ động gây ra, có cùng chiều với chiều chuyển động của máy kéo. Giá trị lực kéo PK khi máy kéo chuyển động ổn định đ−ợc xác định theo công thức: PK = r M K K = r iM K me η.. (2.1) Trong đó: PK - lực kéo tiếp tuyến của bánh xe (N) V Mk Gk rk Zk Pk Pcl Mcl 35 MK - mô men chủ động (N.m) rK - bán kính động lực học của bánh xe. Me- mômen quay của động cơ (N.m). i, ηm - tỉ số truyền và hiệu suất truyền cơ học của hệ thống truyền lực. Qua đó thấy rằng, lực kéo tiếp tuyến sẽ đạt giá trị cực đại PKmax khi sử dụng số truyền có tỉ số truyền lớn nhất: i = imax và mômen quay đạt giá trị lớn nhất Me = Mmax nghĩa là: PKmax = r iM K me η.. maxmax (2.2) Khả năng di động của máy kéo bánh, chủ yếu là khả năng di chuyển trên ruộng, có lực kéo hay công suất dự trữ để hoàn thành một công việc nào đó. Khả năng di động phụ thuộc vào áp suất riêng của liên hợp máy lên đất, các tính chất kéo bám của bộ phận di động, nguồn dự trữ công suất của động cơ để cân bằng chuyển động, phụ thuộc vào các tính chất cơ lý tính của đất, chiều cao gầm máy, độ êm dịu khi di chuyển, đặc điểm kết cấu và lực cản của máy nông nghiệp . . .v.v. Nếu ta xét điều kiện để cho liên hợp máy kéo di chuyển đ−ợc trên ruộng theo điều kiện bám sẽ là: PK ≤ Pbam = ϕ.λ.G PM + Pf ≤ ϕ.λ.G (2.3) ở đây: PK - là lực kéo tiếp tuyến. Pbam - lực bám ở bánh chủ động PM - là lực kéo ở móc. Pf - là lực cản chuyển động (lực cản lăn) λ - là hệ số phân phối tải trọng của máy kéo lên cầu chủ động G - là trọng l−ợng của máy kéo. Các yếu tố ảnh h−ởng đến lực bám của bánh xe 1 - Trọng l−ợng bám của máy kéo tác dụng lên bánh xe Khi phân tích hệ thống công thức về tính toán lực bám ta thấy rằng: 36 Pbam = ϕ.Gb. Trong đó Gb phần trọng l−ợng của máy kéo phân bố trực tiếp lên bánh xe chủ động, nếu trị số này càng lớn thì lực bám Pbam càng tăng. Điều này có nghĩa rằng nếu nh− hệ số phân bố trọng l−ợng máy kéo đến các bánh xe chủ động λ càng cao (λ=1) thì khả năng bám của bánh xe sẽ tốt nhất. Lúc đó trọng l−ợng bám bằng trọng l−ợng của máy kéo. Đối với máy kéo nhỏ đẩy tay chỉ có hai bánh chủ động phía tr−ớc và một bánh phụ phía sau, ta có thể tính toán trọng l−ợng bám tác dụng lên bánh xe chủ động sẽ đ−ợc tính gần nh− chính bằng trọng l−ợng của máy kéo. 2 - Tình trạng mặt đồng, đ−ờng Chất l−ợng nền đất canh tác trong nông nghiệp và trạng thái mặt đồng, đ−ờng là yếu tố ảnh h−ởng đến ma sát giữa bề mặt bánh xe với lớp đất mà nó tiếp xúc. Chính vì vậy mà các tính chất cơ lý tính của đất nông nghiệp cũng nh− độ chặt nền ruộng sẽ ảnh h−ởng lớn đến khả năng bám của bánh xe máy kéo. Khi máy kéo làm việc trên vùng đất có độ ẩm cao (> 45 %) thì hệ số ma sát giữa bánh xe và đất sẽ giảm đi dẫn đến lực bám sẽ giảm đáng kể. 3 - áp lực riêng bánh xe trên đất Khi ta tăng diện tích tiếp xúc của bánh xe với mặt đồng sẽ làm tăng lực bám của xe. Tuy nhiên vấn đề tăng diện tích tiếp xúc còn phải l−u tâm đến vấn đề sẽ làm tăng lực cản lăn và tăng chi phí năng l−ợng khi di chuyển nên ta không thể tăng quá mức đ−ợc. Đối với bánh xe kết hợp phần bánh bơm khi làm việc trên đất có độ ẩm cao coi nh− là có sự bám kém nhất, chủ yếu sẽ là phần diện tích của bánh phụ lắp kèm theo. Nh−ng nếu ta giảm áp suất của bánh hơi thì cũng xẽ cải thiện đ−ợc khả năng bám của bánh xe, vì vậy khi thí nghiệm sẽ phải xác định xem với mức áp suất lốp là bao nhiêu thì cho khả năng bám của bánh xe kết hợp là tốt nhất. 4 - Kết cấu hình dạng mấu bám của bánh xe Hình dạng và kích th−ớc của mấu bám (đặc biệt là chiều cao mấu bám) có vai trò rất quan trọng ảnh h−ởng lớn đến khả năng bám của bánh xe với mặt đồng. Nói chung việc tính toán và lựa chọn hình dạng và kích th−ớc mấu bám là t−ơng đối phức tạp vì khi khảo sát sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đ−ờng ch−a thể phân lập đ−ợc lực cản lăn tác dụng lên bánh xe. 37 2.1.2. Lực cản lăn của bánh xe Lực cản lăn của bánh xe xuất hiện là do sự tiêu hao năng l−ợng bên trong lốp khi nó bị biến dạng do xuất hiện các lực ma sát giữa bánh xe và mặt đ−ờng, do lực ma sát trong các ổ trục bánh xe, trong hệ thống di động ...v.v. Đặc biệt khi di chuyển trên nền đất có độ ẩm cao sẽ tiêu hao đi một phần năng l−ợng đáng kể trong quá trình lăn tạo thành vết bánh xe. Do phụ thuộc đồng thời vào nhiều yếu tố nên việc xác định mức độ tiêu hao năng l−ợng của từng phần riêng là rất khó khăn. Bởi vậy ng−ời ta quy tất cả các thành tiêu hao năng l−ợng trong quá trình lăn của bánh xe thành một lực cản gọi là lực cản lăn. Có rất nhiều yếu tố ảnh h−ởng đến lực cản lăn của máy kéo. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng phản lực pháp tuyến của mặt đ−ờng là yếu tố ảnh h−ởng lớn nhất. Do đó có thể xác định lực cản lăn theo phản lực pháp tuyến Z hoặc theo trọng l−ợng của máy G. Còn sự ảnh h−ởng của các yếu tố còn lại đ−ợc quy thành một hệ số f và có thể viết: Pf = Pfk + Pfn = f.z = f.G (2.4) Trong đó: Pfk, Pfn - lực cản lăn của các bánh chủ động và phụ động f - hệ số cản lăn G - trọng l−ợng của máy kéo z - phản lực pháp tuyến và đ−ợc tính: z = G.cosα trong đó α là độ dốc mặt đ−ờng Biểu thức (2.4) có thể viết ở dạng tổng quát hơn: Pf = f.G.cosα (2.5) Trong phạm vi của đề tài, liên hợp máy kéo hai bánh đẩy tay thông th−ờng chỉ làm việc chủ yếu trên ruộng t−ơng đối bằng phẳng nên công thức tính lực cản lăn ta có thể viết rút gọn. Pf = f.z = f.G (2.6) Khi tính toán ta có thể xác định lực cản lăn tính đến ảnh h−ởng của một số thông số khác nh− tải trọng, các tính chất cơ lý của đất. 38 Đối với các bánh xe làm việc trên đất mềm, đất có độ ẩm cao ta có thể xác định cản chuyển động theo công thức sau: R = DbK w .. 2 (2.7) ở đây: R - lực cản chuyển động (cản lăn) b - bề rộng bánh xe D - đ−ờng kính bánh xe w - tải trọng lên bánh xe K - hệ số tỉ lệ khi nén đất. Trong tr−ờng hợp tổng quát ta có thể tính toán lực cản theo công thức thực nghiệm áp dụng cho nhiều loại bánh xe có kích th−ớc, hình dạng khác nhau theo công thức sau: R = DKbKnn w n n nn n n n c 22 1 12 1 12 22 12 22 )()1()3( 3 + + ++ + + + ++− ϕ (2.8) Độ lún vết bánh đ−ợc xác định theo công thức. Z = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +− + DKbKn w c n )()3( 3 12 2 ϕ (2.9) Trong đó: n - hệ số mũ, với máy kéo bánh lấy bằng 1,63 K - hệ số miết đất theo thể tích Kϕ - hệ số bám của bánh xe Các công thức trên có thể áp dụng đ−ợc cho các loại bánh vành cứng, bánh phụ động cũng nh− bánh chủ động của máy kéo 2.2. Tính chất tr−ợt của bánh xe 2.2.1. Độ tr−ợt cúa bánh xe Độ tr−ợt của máy kéo khi có tải tính theo công thức: δ = n nn K XK − . 100 (%) = r rr X X − .100 (%) (2.10) 39 Trong đó: nK - số vòng quay bánh chủ động trên đoạn đ−ờng khảo nghiệm khi chạy có tải (có tr−ợt). nK - số vòng quay bánh xe chủ động theo trên đoạn đ−ờng khảo nghiệm khi chạy không tải (không tr−ợt). rX - bán kính làm việc của bánh xe chạy không r - bán kính lăn của bánh xe chủ động. Tuy nhiên khi sử dụng công thức trên cần l−u ý khi chạy không coi nh− độ tr−ợt của bánh xe chủ động là không có. Nh−ng trên thực tế ở ruộng độ ẩm cao, khi chạy không độ tr−ợt khá lớn. 1. Quỹ tích chuyển động, gia tốc, tốc độ của các điểm trên bánh xe khi có tr−ợt Khi biết đ−ợc độ tr−ợt của bánh xe sẽ dễ dàng tính đ−ợc bán kính lăn của bánh xe. Nếu lấy r là bán kính lăn của bánh xe khi lăn trên đ−ờng thẳng thì quỹ tích các điểm trên bánh xe là một đ−ờng xy-clô-it và đ−ợc thể hiện theo công thức. x = rθ - r1sinθ y = r - r1cosθ (2.11) Nếu tính r qua bán kính đỉnh mấu rdinh , quỹ tích các điểm trên bánh xe thay đổi theo công thức. x = rdinh(1 - δ)θ - r1sinθ y = rdinh(1 - δ)θ - r1cosθ (2.12) Trong đó: r 1 - khoảng cách từ điểm bất kỳ đến tâm bánh xe θ - góc quay của bánh xe. Quỹ đạo chuyển động của bánh xe nh− hình vẽ. 40 Hình 2.2 Quỹ đạo chuyển động của điểm đỉnh mấu bám khi lăn có tr−ợt (r1 >r) Quỹ đạo của điểm đỉnh mấu bám với các độ tr−ợt khác nhau thay đổi khá lớn, đặc biệt là phần cuộn lại của quỹ tích, phần cuộn lại này có mối quan hệ mật thiết với việc nghiên cứu vết của mấu bám tạo thành trong lòng đất. Vận tốc của một điểm nào đó nhận đ−ợc nếu đem vi phân công thức trên. VX = dt dx = rω - r1ωcosθ VY = dt dy = r1sinθ dt dθ = r1ωsinθ Vtong = ω rrrr 2112 cos2 +− θ (2.13) Gia tốc của một điểm nào đó trên bánh xe đ−ợc xác định theo công thức jX = d dx t 2 = r1ω2sinθ j y = d dy t 2 = r1ω2cosθ jtong = r1ω2 (2.14) rθ 41 a - Tốc độ chuyển động của các điểm trên vành bánh xe. Hình 2.3 Tốc độ chuyển động của các điểm trên vành bánh xe Khi bánh xe máy kéo di chuyển trên đất có độ ẩm cao với độ tr−ợt nào đó thì chuyển động của các điểm trên vành bánh xe không giống nhau và phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm đó đến tâm quay tức thời 01. Tốc độ chuyển động của các điểm ở phần trên lớn, còn tốc độ chuyển động của phần d−ới nhỏ. Nếu bánh xe lún sâu thì lớp đất sẽ tiếp với vành bánh và tốc độ sẽ lớn. Đó là một trong những nguyên nhân làm tăng lực cản chuyển động của bánh xe. Cần phải chú ý là tốc độ chuyển động ngang của các điểm tiếp xúc với đất cũng khác nhau. ở hai điểm Z1 và Z2 chúng bằng 0. Còn ở phía tr−ớc điểm Z1, tốc độ chuyển động ngang của các điểm trên vành bánh xe h−ớng về phía tr−ớc, phía sau điểm Z2, thành phần nằm ngang của tốc độ lại h−ớng về phía tr−ớc. Vị trí của điểm Z1 tuỳ thuộc vào độ tr−ợt δ và ứng với góc ở tâm γ. Cosγ = oz oo 1 1 = r r vanh = χ δ r r dinh dinh )(1 − = χ δ−1 (2.15) ở đây χ là tỉ số giữa bán kính vành và bán kính đỉnh. O Z 1 O1 γ Z 2 Lớp đất canh tác 42 χ = r r dinh vanh (2.16) b - Biến dạng của đất do mấu bám thép góc tạo nên: Khi mấu bám của bánh xe máy kéo làm bằng thép góc đi vào trong đất sẽ tạo ra sự biến dạng cho đất nh− hình vẽ. Hình 2.4 Biến dạng của đất do mấu bám tạo nên khi chạy không Khi tác động vào đất, mấu bám tấm thép góc tạo ra sự có hại không lớn (phần bên phải đ−ờng ab). Chỉ khi mấu bám đi ra khỏi mặt đất sẽ gây biến dạng lớn. Do đó tạo thành lực cản di động đáng kể. Trên hình (2.4) mô tả rõ quỹ đạo các điểm A và B của tấm mấu khi có độ tr−ợt lớn. Thời điểm tấm mấu bám đi ra khỏi mặt đất sẽ xúc đất lên vì tấm mấu đ−ợc đặt xuyên tâm với bánh xe. Để tránh tình trạng múc đất nh− trên, nên đặt tấm mấu nghiêng 70 ữ 750 so với bề mặt vành. Để khi đi ra khỏi đất, tấm mấu đ−ợc rút lên thẳng góc với bề mặt nền đất. Cần chú ý rằng: khi các tấm đặt nghiêng góc từ 70 ữ 750 so với bề mặt vành thì mặt tr−ớc của các tấm mấu bám sẽ bị bết đất, cho nên thông th−ờng ng−ời ta hay dùng các mấu bám là tấm thép có dạng hình nón, với bề mặt tr−ớc nghiêng từ 1050 ữ 1100 so với bề mặt vành bánh. 2. Liên hệ giữa góc nghiêng mặt chủ động của mấu bám và độ tr−ợt Theo kinh nghiệm của một số nhà thiết kế bánh xe ta có thể chọn góc giữa mặt chủ động của mấu bám và đ−ờng tiếp tuyến với vành bánh xe là 70 ữ 750. Để các mấu bám sau khi đi vào đất và đi ra không móc đất lên ta lấy độ tr−ợt 10% để tính toán và dùng góc giữa mặt chủ động của mấu bám với bán kính vành bánh xe là 200. Đôi khi ta cũng có thể sử dụng công thức sau để xác định góc nghiêng của mặt chủ động mấu bám qua độ tr−ợt: b a 43 cosγ = 1 - δ (2.17) ở đây: γ - góc giữa mặt chủ động của mấu bám và bán kính bánh xe kẻ qua đỉnh của mấu bám đó. δ - Độ tr−ợt (%). 2.2.2. Xác định tính chất tr−ợt của bánh xe Tính chất tr−ợt phụ thuộc vào kết cấu bánh xe và tính chất cơ lý của đất. Đặc tính quan trọng nhất là quan hệ giữa độ tr−ợt và tải trọng kéo, do đó cần xác định các quan hệ ứng suất - biến dạng của đất trong vùng tiếp xúc. Đất là một môi tr−ờng rất phức tạp, các tính chất cơ học của nó phụ thuộc vào thành phần và trạng thái vật lý. Để mô tả tính cơ học của đất khi chịu tác động của bánh xe, có nhiều quan điểm khác nhau tuỳ theo mục đích và điều kiện nghiên cứu. Song điểm chung nhất là yêu cầu của mô hình nghiên cứu về đất phải: thể hiện rõ ảnh h−ởng của các thông số riêng và chi phí thực nghiệm kiểm tra là nhỏ nhất. Khi nghiên cứu t−ơng tác giữa bánh xe với đất, đ−ợc quan tâm nhất là tính chất chống biến dạng của đất theo ph−ơng pháp tuyến và ph−ơng tiếp tuyến. Quan hệ ứng suất - biến dạng của đất là quan hệ phi tuyến. Để mô tả các quan hệ này có thể dùng các mô hình toán khác nhau. A B Mấu bám Quỹ đạo của điểm A Tâm quay tức thời Bề mặt đất Py Ph P Hình 2.5 Quỹ đạo của tấm mấu bám thép góc 44 Xét đến quan hệ ứng suất – biến dạng đất ta có thể sử dụng công thức sau: pr = ( )( ) k b k z z c B n+ ϕ (2.18) Trong đó: b - bề rộng tấm ấn; kc, kϕ - hệ số dính và hệ số ma sát giữa các phần tử đất, không phụ thuộc vào kích th−ớc hình dạng đầu đo và các yếu tố khác. Tuy nhiên mô hình này ch−a thể hiện đ−ợc đúng quá trình bánh xe tác động vào đất. Cụ thể hơn có thể dùng công thức sau khi tính đến tải trọng tiếp tuyến ảnh h−ởng đến độ lún của bánh xe: Pr = ( )(cos ) ( ) k b k z z c n B n+ ϕ αα (2.19) Tuy nhiên nếu dùng các mô toán trên có chung một nh−ợc điểm là phụ thuộc rất nhiều vào thực nghiệm và ch−a mô tả rõ đ−ợc các tính chất của các hệ số, ngoài ra ch−a mô tả đ−ợc các hiện t−ợng xảy ra khi đất chịu tải nh− chảy dẻo, nén chặt dẫn đến tăng khả năng chịu tải. Ta có thể sử dụng mô hình l−u biến để phân tích tính chất chịu tải của đất. Mô hình bao gồm một phần tử đàn hồi có độ cứng cf, hệ số giảm chấn η mắc nối tiếp với một phần tử chảy dẻo có giới hạn chảy àp và độ nén àv. Mô hình mô tả cả tính đàn hồi nhớt và tính làm chặt đất theo chiều sâu z (hình2.6). Từ điều kiện cân bằng năng l−ợng có thể viết ra: & .( ) .& . . .p P c z c z cr r f v v r f v r f p+ + = + +àη à à η à η1 1 (2.20) Các hệ số của mô hình (cf, η, àp, àv) đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Tuỳ theo ph−ơng pháp thí nghiệm mà quan hệ ứng suất - biến dạng theo ph−ơng pháp tuyến đ−ợc thể hiện khác nhau. 45 Bằng thí nghiệm tấm ấn Khi thí nghiệm tấm ấn với tốc độ ấn không đổi nhận đ−ợc: P(z) = à à η à à à η à à v f v f p f v f v f v f vc v c c c v z c c z+ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ + + ⎡ ⎣ ⎢⎢ ⎤ ⎦ ⎥⎥ − +⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎡ ⎣⎢ ⎤ ⎦⎥ + + ⎡ ⎣⎢ ⎤ ⎦⎥ 2 1. . . exp . . . . hoặc viết d−ới dạng tổng quát: P(z) = A.(1 - e -B.z) + C.z (2.22) Các hệ số A, B và C có thể xác định đ−ợc nhờ hồi qui các đ−ờng cong theo các kết quả thí nghiệm. Do àp nhỏ hơn rất nhiều so với àv có thể chấp nhận đ−ợc àp = 0 trong tí._.