Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ nông nghiệp và pTNT

Trường đại học lâm nghiệp
*******************************

nguyễn văn hiếu

Nghiên cứu một số vấn đề động lực học của
liên hợp máy kéo bông sen 12 trong
khâu làm đất nông, lâm nghiệp

Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật

Hà nội - 2008


Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ nông nghiệp và pTNT

Trường đại học lâm nghiệp
************************

nguyễn văn hiếu

Nghiên cứu một số vấn đề động lực học của
liên hợp máy kéo bông sen 12 trong khâu
làm đất nông, lâm nghiệp

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông, lâm nghiệp
Mã số: 60.52.14

Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. Nguyễn NHật chiêu

Hà nội - 2008


lời cảm ơn

Để hoàn thành được bản luận văn này, trong suốt thời gian vừa qua tôi
đã nhận được nhiều sự quan tâm giúp đỡ, chỉ dẫn của nhiều tập thể, cá nhân.
Nhân dịp này cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu đã dành
nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị.
Tập thể cán bộ, giáo viên Khoa Sau đại học, Khoa Cơ điện và công
trình, cán bộ giáo viên Bộ môn Kỹ thuật cơ khí Trường Đại học Lâm
Nghiệp, Đảng uỷ, Ban Giám hiệu trường Trung cấp nghề Cơ điện và Kỹ thuật
Nông Lâm Đông Bắc nơi tôi đang công tác.
Các Thầy giáo Bộ môn Cơ học ứng dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo cùng các bạn bè đồng
nghiệp đã đóng góp ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành tốt bản luận văn này.
Qua đây cho phép tôi được cảm ơn tới gia đình cùng những người thân
đã động viên và hậu thuẫn cho tôi trong suốt thời gian vừa qua./.
Tác giải luận văn

Nguyễn Văn Hiếu



lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết
quả trong luận văn này được tính toán chính xác, trung thực và chưa có tác
giả nào công bố. Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều
được chỉ dẫn nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hiếu


mục lục

Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Các ký hiệu trong luận văn
Danh mục các hình vẽ trong luận văn
Danh mục các bảng biểu trong luận văn
Chương 1

Đặt vấn đề

1

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu


3

1.1. Tình hình trang bị máy kéo và áp dụng cơ giới trong sản

3

xuất nông, lâm nghiệp ở nước ta
1.2. Một số tính chất và đặc điểm riêng về động lực học liên

6

hợp máy kéo cỡ nhỏ
1.3. Tình hình nghiên cứu động lực học của máy kéo cỡ nhỏ

8

trên thế giới và trong nước
1.3.1. Tình hình nghiên cứu động lực học của máy kéo cỡ nhỏ

8

trên thế giới
1.3.2. Tình hình nghiên cứu động lực học của máy kéo cỡ nhỏ ở

13

nước ta trong những năm gần đây
Chương 2

Đối tượng, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên


17

cứu
2.1. Mục tiêu nghiên cứu

17

2.2. Đối tượng nghiên cứu

17

2.3. Nội dung nghiên cứu

20


2.4. Phương pháp nghiên cứu
Chương 3

Nghiên cứu lý thuyết động lực học về kéo, bám và ổn

20
21

định của liên hợp máy kéo BS 12
3.1. Chọn đối tượng làm mô hình nghiên cứu

21


3.2. Khả năng kéo của liên hợp máy kéo BS 12

21

3.2.1. Xác định lực kéo tiếp tuyến ở các số truyền

23

3.2.2. Xác định khả năng kéo ở các số truyền của liên hợp máy

23

kéo BS 12
3.3. Khả năng bám của liên hợp máy kéo BS 12

27

3.4. Nghiên cứu khả năng ổn định của liên hợp máy kéo BS 12

30

3.4.1. Xác định khả năng ổn định tĩnh dọc

30

3.4.2. Xác định ổn định tĩnh ngang

32

3.4.3. Xác định khả năng ổn định động dọc


34

3.4.4. Xác định khả năng ổn định động ngang

37

Chương 4

Nghiên cứu động lực học của liên hợp máy kéo BS 12

40

khi làm đất với cày trụ một lưỡi
4.1 Những giả thiết ban đầu

40

4.2. Lực và mô men tác động lên liên liên hợp máy

45

4.2.1. Xác định lực cản cày

46

4.2.2. Xác định lực phá đất

50


4.2.3. Xác định cắt đất tại cạnh lưỡi cày PC12

56

4.2.4. Xác định lực cản tại trụ cày

57

4.2.5. Xác định tổng lực cản tạo rãnh đất của cày trụ

57

4.2.6. Xác định các mô men tác dụng lên liên hợp máy

58

4.2.7. Xác định lực bám của bánh xe

60

4.2.8. Xác định phản lực tựa theo phương OY tại hai bánh và tại

63

cày
4.3. Quỹ đạo của liên hợp máy khi cày trên sườn dốc

65



4.3.1. Xây dựng phương trình vi phân chuyển động của liên hợp

65

máy
4.3.2. Xây dựng hệ phương trình chính tắc

66

4.3.3. Kết quả giải hệ phương trình vi phân bằng phần mền

67

Matlab
Kết luận và đề xuất

75

Tài liệu tham khảo

76

Phụ lục

79


Các ký hiệu dùng trong luận văn
Ký hiệu


Tên gọi

LHM

Liên hợp máy

BS 12

Bông Sen 12

Đơn vị

G

Khối lượng máy kéo BS 12

kg

Pf

Lực cản lăn của đất tác động lên bánh xe

N

Pw

Lực cản của không khí

N


Pj

Lực cản quán tính

N

Fk

Lực kéo tiếp tuyến

N

Pi

Lực cản độ dốc

N

M

Mô men quay động cơ



Hiệu suất truyền lực

r

Bán kính làm việc của bánh chủ động


i

Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

N.m
m

Pki

Lực kéo của máy kéo khi làm việc ở số truyền thứ i

N

Fki

Lực kéo tiếp tuyến ở số truyền thứ i

N



Góc nghiêng địa hình

f

Hệ số cản lăn của đất

Fb

Lực bám của bánh chủ động


N

Pk

Lực kéo bộ phận làm việc phía sau của máy kéo

N

Phản lực pháp tuyến tác động vào hai bánh xe

N

Y1, Y2

Z1, Z2

Radian

Hệ số bám
Phản lực tiếp tuyến tác động vào bánh trước và bánh

N

tỳ
T

Góc nghiêng địa hình khi tính ổn định tĩnh ngang

n


Hệ số bám ngang

GC

Khối lượng của bộ phận cày

Radian

kg


Mf1, Mf2 Mô men cản lăn tác động vào bánh trước và bánh tỳ

N.m

đ

Góc nghiêng tính ổn định động

Plt

Lực ly tâm khi máy kéo làm việc trên đường vòng

N

h

Chiều cao trọng tâm máy kéo


m

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

V

Vận tốc máy kéo

km/h

R

Bán kính quay vòng

m

PC

Lực cản cày

N

PC11

Lực cản phá tạo rãnh đất tại mũi cày


N

PC12

Lực cắt tại đáy và cạnh bên tại mũi cày

N



Biến dạng tương đối

1



Hệ số Poatsong

1

E

Mô đun đàn hồi của đất

x, y, z ứng suất theo ba phương trong hệ tọa độ


ứng suất pháp vuông góc với mặt cắt

Radian


N/m2
N/m2
N/m2

ms

Góc ma sát trong của đất

Radian

C

Lực dính đơn vị của đất

N/m2



ứng suất tiếp tại một mặt cắt nào đó của đất

N/m2

g

ứng suất pháp giới hạn của đất

N/m2

h

br
x

Khoảng biến dạng tuyệt đối theo phương vuông góc
với mặt lưỡi cày
Bề rộng rãnh cày
Lượng biến dạng nén trên mặt phẳng vuông góc với
hướng chuyển động ox

m
cm
m

r

ứng suất chính tại điểm đang xét

PCN

Lực tác động vuông góc lên toàn bộ lưỡi cày

N

P*CN

Tổng lực cản của đất tác động lên mặt lưỡi cày

N

N/m2





Góc ma sát giữa đất với lưỡi cày

KC11

Radian

Hệ số cản phá đất tại mũi cày

Kg

Hệ số cản riêng khi cắt đất

bm

Bề rộng thỏi đất bị cắt

Kr

Hệ số cản riêng của đất bị phá vỡ trong rãnh cày

PCZ

Lực tác động theo phương thẳng đứng tại lưỡi cày

N


Pcld

Phản lực tựa vuông góc tại bánh phía thấp

N

PclT

Phản lực tựa vuông góc tại bánh phía trên

N

PCC

Lực cản lăn đặt tại trọng tâm liên hợp máy

N

MCC

Mô men cản lăn

Pb

Lực bám của mấu bám



Hệ số làm việc đồng thời của của các mấu bám


Km

Lực cản riêng của đất với mấu bám
Tổng diện tích hình chiếu của mấu bám theo hướng

Sm

dọc trục ox

nm

m

N.m
N
N/cm2
m2

Số mấu bám tiếp xúc với đất

bm, hm

Chiều rộng và chiều cao mấu bám

m

P

Tổng các lực cản theo phương OY


N

PbYd

Phản lực tối đa theo cơ tính đất tại bánh

N

Mtd

Mô men gây trượt quay

N.m

MCqd

Mô men cản quay tối đa theo cơ tính của đất

N.m

P

Tổng các lực gây trượt dốc

N

Tổng mô men gây trượt xoay

N


*
Y

Y

M

C

Vlt

Vận tốc lý thuyết

km/h

Mđk

Mô men điều khiển máy

N.m

J0

Mô men quán tính của liên hợp máy kéo

kgm2

m

Khối lượng toàn liên hợp máy


kg


Danh mục các hình trong luận văn

TT

Tên hình

Trang

1.1

Mô hình máy kéo theo Muller

8

1.2

Mô hình máy kéo theo Vogel

10

1.3

Mô hình máy kéo theo Bùi Hải Triều

12


2.1

Máy kéo Bông Sen 12

18

3.1

Mô hình máy kéo Bông Sen 12 với cày trụ một lưỡi

21

3.2
3.3
3.4
3.5

3.6
3.7
3.8

Sơ đồ biểu diễn quá trình di chuyển lên dốc của liên hợp
máy
Đồ thị khả năng kéo khi LHM kéo BS 12 làm việc trên
đường đất khô
Đồ thị khả năng kéo khi LHM kéo BS 12 làm việc trên
đường đất ẩm
Đồ thị khả năng kéo khi LHM kéo BS 12 làm việc trên
đường đất hoang hóa
Đồ thị khả năng kéo khi LHM kéo BS 12 làm việc trên

đường đất canh tác
Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên liên hợp máy kéo BS 12
Đồ thị khả năng bám của liên hợp máy kéo BS 12 phụ thuộc
vào góc nghiêng

22
24
25
25

26
27
29

3.9

Sơ đồ nghiên cứu khả năng ổn định tĩnh dọc

31

3.10

Sơ đồ nghiên cứu khả năng ổn định tĩnh ngang

32

3.11
3.12

Sơ đồ nghiên cứu khả năng ổn định khi liên hợp máy di

chuyển lên dốc và xuống dốc
Sơ đồ nghiên cứu khả năng ổn định ngang khi máy kéo

35
37


quay vòng
4.1
4.2

Sơ đồ các hệ tọa độ trên nền và liên hợp máy kéo
Sơ đồ tính chuyển dịch của LHM kéo BS 12 khi làm đất
trên sườn dốc

41
45

4.3

Sơ đồ phân tích các lực cản tác dụng lên liên hợp máy

46

4.4

Các thành phần lực tác động lên cày trụ

47


4.5

Biểu đồ ứng suất của đất

48

4.6

Lực và ứng suất của bài toán phẳng trong nửa không gian
đàn hồi

50

4.7

Sơ đồ làm việc của mũi cày và mặt cắt ngang rãnh đất cày

52

4.8

Sơ đồ lực tác dụng lên lưỡi cày

55

4.9

Sơ đồ tính mô men cản lăn của LHM kéo BS 12

58


4.10

Sơ đồ tính góc lệch

62

4.11

Sơ đồ uốn ngang của bánh máy kéo

63

4.12

Sơ đồ giải toán bằng Matlab - Simulink

67

Sơ đồ mô phỏng giải hệ phương trình vi phân mô tả
4.13

chuyển dịch của LHM kéo BS 12 trên phần mền Matlab -

68

Simulink
4.14
4.15
4.16


Kết quả mô phỏng chuyển vị xoay và chuyển vị trượt
ngang dốc của liên hợp máy kéo BS 12 trên sườn dốc
Kết quả mô phỏng chuyển vị trượt dốc của liên hợp máy
kéo BS 12 trên sườn dốc
Kết quả mô phỏng quan hệ độ dốc , lực cản cày PCX và
hệ số ma sát fS tại giới hạn trượt dốc

70
71
73


Danh mục các bảng biểu trong luận văn

TT

Tên bảng

Trang

Bảng 01

Đặc tính kỹ thuật chủ yếu của máy kéo Bông Sen 12

18

Bảng 02

Trị số lực kéo tiếp tuyến


23

Bảng 03

Trị số góc ổn định tĩnh dọc

32

Bảng 04

Trị số góc ổn định tĩnh ngang

34

Bảng 05

Trị số góc ổn định động dọc

36

Bảng 06

Trị số góc ổn định động ngang

39


1


đặt vấn đề
Cơ giới hóa phục vụ sản xuất nông, lâm nghiệp là việc sử dụng các thiết
bị máy móc để thực hiện các công việc từ sản xuất cây giống tại vườn ươm,
chuẩn bị đất trồng (làm đất), trồng cây, chăm sóc và bảo vệ cây trồng. Để đáp
ứng được yêu cầu cơ giới hóa trong nông nghiệp và nông thôn, thì việc sử
dụng có hiệu quả các liên hợp máy kéo cỡ nhỏ là hết sức quan trọng. Do nhu
cầu thực tế sản xuất ở nước ta đã nhập khẩu một số mẫu máy của nhiều nước,
trong đó một số mẫu máy tỏ ra khá thích ứng và được dùng phổ biến ở trong
nước, tuy nhiên việc tuyển chọn chưa được nghiên cứu đầy đủ trên cơ sở khoa
học. Các máy được nhập ngoại chủ yếu từ các nước Nhật Bản, Trung
Quốc....Các máy kéo cỡ nhỏ được chế tạo trong nước chủ yếu ở nhà máy cơ
khí Trần Hưng Đạo, nhà máy Diezel Sông Công, Công ty máy kéo và máy
nông nghiệp, một số xí nghiệp cơ khí địa phương khác. Tuy nhiên các liên hợp
máy cỡ nhỏ sản xuất trong nước được sử dụng trong thời gian qua có chất
lượng công nghệ chế tạo chưa phù hợp với điều kiện sản xuất, việc nghiên cứu
cơ bản phục vụ thiết kế cũng như để nâng cao chất lượng đang dần dần từng
bước được quan tâm đầy đủ [19].
Trong những năm gần đây đã có một số đề tài đề cập đến vấn đề sử
dụng máy kéo cỡ nhỏ trong sản xuất nông, lâm nghiệp như: Đặng Tiến Hòa
Nghiên cứu một số vấn đề động lực học của liên hợp máy kéo cỡ nhỏ hai
bánh, PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu, Th.S Nguyễn Văn An, T.S Lê Văn Thái
Nghiên cứu sử dụng máy kéo cỡ nhỏ để phay đất rừng trồng cây lâm
nghiệp. Những đề tài trên đã tập trung vào nghiên cứu cải tiến và lắp thêm
một số bộ phận công tác nhằm nâng cao khả năng sử dụng của máy trong điều
kiện sản xuất nông, lâm nghiệp. Tuy nhiên, hiện nay vấn đề động lực học của
liên hợp máy kéo cỡ nhỏ trong khâu làm đất trồng cây nông, lâm nghiệp thì
hầu như các đề tài đã đề cập đến nhưng chưa đầy đủ.
Qua tìm hiểu và phân tích khái quát các công trình nghiên cứu trong
những năm gần đây cho thấy việc nghiên cứu các liên hợp máy kéo cỡ nhỏ chỉ



2

tập trung vào xác định khả năng làm việc hoặc cải tiến một số hệ thống hay cơ
cấu riêng lẻ, mà chưa chú ý đầy đủ đến các tính chất hoạt động thực tế của
liên hợp máy trên đất nông, lâm nghiệp, trong mối tương quan qua lại giữa
liên hợp máy và đối tượng tác động. Trong những điều kiện làm việc cụ thể có
khi sai khác rất lớn so với các giả thiết khi tính toán thiết kế và nó ảnh hưởng
ngay đến khả năng làm việc, hiệu quả và chất lượng công việc của liên hợp
máy.
Các liên hợp máy kéo cỡ nhỏ tuy có tốc độ chuyển động thấp, song do
có khối lượng chuyển động và mô men quán tính nhỏ và những đặc điểm kết
cấu riêng nên rất dễ nhậy cảm với các tác động động lực học trong quá trình
liên hợp máy làm việc. Để đánh giá và nâng cao hiệu quả của quá trình làm
việc của liên hợp máy và có thể cải thiện liên hợp máy thích ứng với các điều
kiện hoạt động thực tế trong sản xuất nông, lâm nghiệp ở nước ta, cần thiết
nhận dạng các chế độ động lực học của liên hợp máy. Có nghĩa là cần biết cả
về định tính lẫn định lượng các tác động động lực học đến khả năng làm việc
cũng như đến chất lượng công việc, độ bền các chi tiết máy và đến tính năng
điều khiển các liên hợp máy.
Với lý do trên chúng tôi thực hiện đề tài Nghiên cứu một số vấn đề
động lực học của máy kéo Bông Sen 12 trong khâu làm đất nông, lâm
nghiệp.


3

Chương 1
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.1. Tình hình trang bị máy kéo và áp dụng cơ giới trong sản xuất nông,

lâm nghiệp ở nước ta
Từ năm 2000 đến nay, khi sự nghiệp đổi mới do Đảng khởi xướng và
lãnh đạo đã có nhiều chính sách mới được ban hành ngày càng đồng bộ. Làm
cho sản xuất nông, lâm nghiệp đã chuyển từ tự cung, tự cấp sang sản xuất
hàng hóa. Trong sản xuất nông, lâm nghiệp tỷ lệ công việc làm bằng máy tăng
lên mạnh mẽ. Tính đến tháng 4 năm 2005 cả nước đã trang bị trên 16,3 triệu
mã lực dùng trong sản nông, lâm nghiệp và thủy lợi. Bình quân trang bị động
lực cho một ha canh tác đạt gần 0,8 mã lực, do điều kiện phát triển kinh tế ở
các vùng khác nhau nên việc trang bị động lực cũng khác nhau. Cao nhất là
Tây Nguyên đạt 1,78 mã lực/ha. Đông Nam Bộ 1,25 mã lực/ha, đồng bằng
Sông Cửu Long 0,98 mã lực/ha. Trong khi đó khu 4 cũ và Trung du miền núi
phía Bắc mới chỉ đạt 0,36 mã lực/ha [19].
Trong 10 năm gần đây số máy kéo các loại tăng 5,5 lần, động cơ diesel
sản xuất trong nước tăng 8,3 lần, các loại máy canh tác khác phục vụ sản xuất
nông, lâm nghiệp và chăn nuôi tăng vượt bậc. Các phương tiện vận chuyển ở
nông thôn phát triển mạnh, hiện có 100.000 xe vận tải nhỏ và 875.650 tầu
thuyền cơ giới. Tỷ lệ diện tích gieo trồng cây hàng năm được cày bừa bằng
máy đạt 72 %, trong đó máy kéo cỡ nhỏ được xác định là một nguồn động lực
quan trọng trong sản xuất [7].
Một trong những chủ trương thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa
nông nghiệp và nông thôn là trang bị các loại máy kéo để cơ giới hóa các khâu
sản xuất. Việc trang bị các loại máy kéo để phục vụ sản xuất trong các hộ gia
đình nông dân đang được người dân chú trọng đầu tư mua sắm. Nhiều loại
máy kéo cỡ nhỏ đã được nhập vào Việt Nam với số lượng lớn và phân theo các


4

vùng lãnh thổ. Các loại máy kéo cỡ nhỏ được nhập và sử dụng ở Việt Nam chủ
yếu do các nước Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc sản xuất [7].

Nhu cầu sử dụng nguồn động lực nhỏ, máy kéo nhỏ ở các vùng núi phía
Bắc, Tây nguyên và Đông Nam Bộ còn rất lớn, trong các ngành chế tạo máy
và sản xuất máy trong nước chỉ mới cung cấp được khoảng 17 % [19]. Chính
vì vậy thị trường trong nước còn tràn ngập các loại máy kéo nhỏ của Trung
Quốc với giá cao và chất lượng chưa tốt. Máy kéo qua sử dụng của Nhật cũng
tràn vào Việt Nam, có chất lượng chế tạo tốt hơn nhưng giá thành đắt và phụ
tùng thay thế khan hiếm. Ngành chế tạo máy nước ta trong những năm hội
nhập WTO đã gặp rất nhiều khó khăn hầu hết các máy kéo cỡ nhỏ chế tạo
trong nước đều sao chép mẫu của Trung Quốc, Nhật Bản ra đời cách đây
nhiều thập kỷ, đơn điệu về mẫu mã lạc hậu về tính năng kỹ thuật [19]. Ngay
cả việc sao chép mẫu cũng chưa có căn cứ khoa học đầy đủ để có được những
mẫu máy phù hợp với điều kiện sử dụng ở nước ta. Trong những năm gần đây
các công ty chế tạo động cơ (viết tắt là VINAPPRO), Công ty máy kéo và
máy nông nghiệp (viết tắt là VIKYNO), Công ty Diesel Sông Công ở phía Bắc
(viết tắt là DISOCO) đã có nhiều tiến bộ trong việc thay đổi chủng loại, nâng
cao chất lượng, phát triển số lượng và đã bước đầu có xuất khẩu sang các nước
trong khu vực.
Hiện nay đã có những tiến bộ nhất định trong ngành chế tạo máy,
nhưng máy kéo do Việt Nam sản xuất được thị trường trong nước chấp nhận
với số lượng còn rất hạn chế do chất lượng các máy còn chưa đảm bảo, chưa
đáp ứng được các yêu cầu tính năng kỹ thuật đặt ra. Do đó, cần phải tập trung
đầu tư nghiên cứu tính toán thiết kế, đổi mới qui trình công nghệ cho ra được
sản phẩm có chất lượng, phù hợp với đặc điểm và tính chất công việc mà máy
đảm nhận. Mục tiêu của ngành chế tạo máy nước ta là phần đấu đến năm 2010
chế tạo khoảng 6000 máy kéo cần tay cỡ 6 - 15 mã lực/năm, chiếm lĩnh được
toàn bộ thị trường máy kéo cỡ nhỏ trong nước, cùng với kéo cỡ lớn đạt được


5


chỉ tiêu cơ giới hóa khâu làm đất lên đến 60 70% diện tích canh tác trong cả
nước [19].
Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp và nông
thôn, thì việc cơ giới hóa các khâu công việc trong sản xuất đòi hỏi lượng máy
móc thiết bị cơ giới rất lớn, trong đó chủ yếu là các loại máy kéo và liên hợp
máy kéo. Máy kéo được sử dụng ở nước ta đã góp phần cơ giới hóa nhiều
công việc trong sản xuất. Những năm gần đây tỷ lệ cơ giới hóa khâu làm đất
bình quân cả nước đạt 63,8 %, cao nhất là đồng bằng Sông Cửu Long đạt 87
%, Đông Nam Bộ 75 %, đồng bằng Sông Hồng và duyên hải Nam Trung Bộ
trên 65 %, các vùng khác xấp xỉ 41 %. Trong khâu thu hoạch lúa việc đập và
làm sạch bằng máy liên hoàn phát triển khá nhanh, hiện có 890.000 máy đập
lúa động cơ các loại. Khả năng phòng trừ sâu bệnh được tăng lên nhờ có hàng
trăm nghìn máy bơm thuốc trừ sâu các loại. Về tưới tiêu đến cuối năm 2005
nhà nước đầu tư xây dựng trên 76.000 công trình thủy lợi lớn nhỏ và 6000
trạm bơm các loại, hàng năm đạt khối lượng nước tưới 110.000 triệu m3/h, tiêu
úng 100.000 triệu m3/h. Ngoài ra hộ gia đình nông dân tự trang bị gần 1.800.
000 máy bơm nhỏ các loại [19].
Việc trang bị máy kéo cỡ nhỏ (dưới 25ml) cho sản xuất nông, lâm
nghiệp hiện nay là một yêu cầu không thể thiếu được trong quá trình công
nghiệp hóa, hiện đại hóa nông thôn. Do chủ trương đa dạng hóa các loại hình
kinh tế xã hội, đất đai đã chuyển giao quyền sử dụng cho người sản xuất, mô
hình kinh tế trang trại hộ gia đình đã phát triển với các qui mô lớn. Do vậy
việc trang bị máy kéo cũng thay đổi, các loại máy kéo cỡ nhỏ đã trở thành một
phương tiện không thể thiếu được đối với mỗi hộ gia đình có qui mô sản xuất
theo mô hình trang trại, đặc biệt là các hộ gia đình trồng các loại cây công
nghiệp.


6


1.2. Một số tính chất và đặc điểm riêng về động lực học liên hợp máy kéo
cỡ nhỏ
Liên hợp máy kéo cỡ nhỏ khi làm việc trong sản xuất nông, lâm nghiệp
chịu tác động của các điều kiện ngoài thay đổi, được nhìn nhận là đa yếu tố và
đa dạng. Có thể kể đến là tính chất không bằng phẳng của mặt đất, tính chất
không đồng nhất của đất, tính đa dạng về cơ cấu cây trồng, tính phức tạp và đa
dạng của các quá trình công nghệ v.v...Các yếu tố này chủ yếu ảnh hưởng đến
độ không đồng đều của tải trọng và các chỉ tiêu của quá trình công nghệ mà
máy cần hoàn thành cũng như chi phí năng lượng [10]. Đối với liên hợp máy
khi làm việc thì tác động chủ yếu là tác động qua lại giữa bộ phận làm việc
với vật liệu và giữa bộ phận di động với mặt đất. Đồng thời khi tính toán và
thiết kế máy, các trạng thái thực không được xem xét đầy đủ. Đa số các
trường hợp khi tính toán thiết kế người ta ứng dụng cơ bản là mô hình tĩnh học
với sự lý tưởng hóa đáng kể các điều kiện làm việc thực tế, mà lẽ ra các yếu tố
này rất phức tạp và đa dạng. Nhiều tác giả cho rằng khi tính toán thiết kế cũng
như nghiên cứu liên hợp máy, cần phải xem như là một hệ thống động lực học
điều khiển được, cần phải có một mô hình mô tả đầy đủ đến mức có thể về các
tính chất của liên hợp máy là việc trong các điều kiện khác nhau [10].
Hoạt động của liên hợp máy có thể được xem như là phản ứng đối với
kích thích ngoài ở đầu vào và các tác động điều khiển. Khi đó sơ đồ tính toán,
phân tích các tính chất hoạt động của một máy bất kỳ không phụ thuộc vào
công dụng của nó mà có thể đưa về sơ đồ tổng quát theo nguyên lý đầu vào đầu ra. Với sơ đồ này việc nghiên cứu chủ yếu là quan hệ giữa các biến đổi
thông số vào và thông số ra, cũng như động lực học việc truyền và chuyển đổi
các thông số đó. Các thông số đầu vào có thể là tất cả các kích thích ngoài (thí
dụ thông số về điều kiện làm việc: Độ mấp mô mặt đất, lực cản của máy v.v...)
và các tác động điều khiển (quá trình thay đổi ga, cắt gài côn, sang số v.v...)
tùy từng trường hợp có thể là các đại lượng vật lý như: Lực, mô men lực,


7


chuyển vị v.v.... Các thông số đầu ra là các thông số xác định chất lượng làm
việc, các chỉ tiêu năng lượng và kinh tế kỹ thuật, tính bền vững v.v...[10].
Liên hợp máy kéo cỡ nhỏ với công suất động cơ từ 6 - 15 mã lực (máy
kéo hai bánh đẩy tay) và 17 - 25 mã lực (máy kéo bốn bánh lái vô lăng),
thường sử dụng động cơ một xilanh nằm ngang, có bộ điều chỉnh số vòng
quay động cơ kiểu bi - đĩa ly tâm. Khi làm việc trên mặt đất với các máy kéo,
tuy có tốc độ chậm nhưng do khối lượng nhỏ và mô men quán tính nhỏ, nên
rất nhạy cảm với sự thay đổi của tải trọng ngoài, đặc biệt là trong điều kiện
mặt đồng không bằng phẳng và tính chất không đồng nhất của đất. Một đặc
điểm khác là bánh xe máy kéo có đường 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 đất
nhiều sỏi đá [10].
Do trọng lượng và bề rộng cơ sở nhỏ, khi di chuyển trên đường không
bằng phẳng hoặc làm việc trên đồng thì liên hợp máy rất dễ nhạy cảm với các
kích thích dao động theo phương thẳng đứng và phương ngang, điều đó phần
nào ảnh hưởng đến chất lượng khâu canh tác mà máy đảm nhận. Thí dụ, khi
thực hiện khâu cày trọng lượng của máy cày nhỏ dẫn đến độ ăn sâu của cày
kém, độ mất ổn định tăng lên. Đặc biệt là đối với là đối với máy nhỏ hai bánh
lái càng rất nhạy cảm với dao động lắc xung quang trục bánh xe chủ động [4].
Liên hợp máy kéo hai bánh đẩy tay hoặc bốn bánh lái vô lăng, trong
đường truyền lực từ động cơ đến bánh chủ động sau có sử dụng bộ truyền đai
thang. Đặc điểm này dẫn đến hiệu suất truyền lực kém, hạn chế khả năng làm
việc của liên hợp máy trên ruộng nước, song lại an toàn hơn cho đường truyền
lực của máy kéo. Ngoài ra theo nhiều công trình nghiên cứu cho thấy nếu hệ
truyền lực có truyền động đai kết hợp với côn ly hợp ma sát sẽ làm giảm tải
trọng động khi máy kéo di chuyển [4].
Đối với liên hợp máy kéo cỡ nhỏ đẩy tay với kết cấu chỉ có phần chủ
động ở phía trước và kết cấu hệ thống lái đơn giản, điều khiển bằng côn
chuyển hướng và không có trợ lực lái, nên tính điều khiển kém, tay lái dễ bị



8

lắc xung quang trục chủ động. Tuy nhiên nếu ta thiết kế vị trí trọng tâm hợp
lý, vị trí tay điều khiển côn và kết hợp sử dụng chế độ tải trọng, chế độ tốc độ
phù hợp thì sẽ cải thiện được điều kiện lái rất nhiều.
1.3. Tình hình nghiên cứu động lực học của máy kéo cỡ nhỏ trên thế giới
và trong nước
1.3.1. Tình hình nghiên cứu động lực học của máy kéo trên thế giới
Đối với liên hợp máy kéo cỡ lớn, các công trình nghiên cứu các chế độ
động lực học đã được các nhà khoa học quan tâm đến từ lâu và được công bố
ở nhiều công trình nghiên cứu, [30], [31], [32], thường sử dụng các mô hình
toán học, trong đó sử dụng rộng rãi các mô hình dao động nhiều bậc tự do.
Thông thường một máy kéo có 7 loại dao động: Dao động thẳng đứng, dao
động xoay quanh trục thẳng đứng, dao động ngang, dao động xoay quanh trục
ngang, dao động dọc, dao xoay quang trục dọc, và dao động liên kết xoay
quanh trục cân bằng. Trong các nghiên cứu riêng phụ thuộc vào phương thức
và mục đích nghiên cứu có thể chỉ quan tâm đến những loại dao động nhất
định còn các loại khác bỏ qua.
Muller [29] khi phân tích các mô hình ông đã đưa ra một mô hình
không gian mô tả tất cả các dao động có thể của máy kéo (hình 1.1).

Hình 1.1: Mô hình máy kéo theo Muller [29]


9

Mục tiêu của công trình này là xác định bằng tính toán tải trọng ở các
cầu của máy kéo và ôtô trong nông nghiệp khi vượt qua vật cản có kích thước

lớn, do đó đã bỏ qua tác động và ảnh hưởng của tải trọng kéo, còn động cơ
được giả thiết như là một bánh đà có mô men quán tính cực lớn. Để

nghiên

cứu ảnh hưởng của tải trọng kéo đến lực cản lăn trong công trình trên, tác giả
đã chú ý đến dao động theo phương dọc của máy kéo và các thông số cũng
như các yếu tố ảnh hưởng, thí dụ như mô men quán tính của tất các phần
chuyển động của máy kéo, độ cứng và hệ số cản dao động của bánh xe theo
phương tiếp tuyến, tính chất tác động qua lại giữa bánh xe và đất với sự thay
đổi của lực kéo, ở đây giả thiết mô men chủ động của bánh xe là một hàm
điều hòa.
Trong mô hình trên, mô men quay của động cơ được lấy từ đặc tính tĩnh
của động cơ và hệ thống được nghiên cứu là hệ thống hai hay nhiều khối
lượng, bỏ qua tính chất cản dao động của các phần truyền lực và tác động của
dao động thẳng đứng. Popesku sử dụng mô hình thay thế để nghiên cứu về
đường truyền lực và khả năng tăng tốc theo phương dọc của máy kéo, trong đó
cũng bỏ qua dao động thẳng đứng [29]. Kết quả tính toán mô hình và nghiên
cứu thực nghiệm các tác động động lực học rất phù hợp.
Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của mô men quay động cơ đến các hệ
thống khác của liên hợp máy thì Vantjutov, Peters và Kutkov [29], đã mô tả
tác động động lực học của động cơ và máy điều chỉnh vào hệ thống liên hợp
máy bởi hai phương trình vi phân. Quan hệ giữa các thông số của động cơ và
máy điều chỉnh cũng như tác động qua lại của chúng được biểu diễn một cách
đơn giản theo dạng quan hệ tuyến tính giữa mô men và vận tốc góc. Trong
công trình này không quan tâm đến các quá trình bên trong và các quá trình
biến đổi năng lượng phức tạp ở các chế độ làm việc động động lực học của
động cơ.
Khi nghiên cứu động lực học quá trình khởi hành và phanh của máy kéo
bốn bánh chủ động thì Ksenvin và Solonski [27] đã quan tâm đến dao động



10

thẳng đứng và các dao động khác của máy kéo. Các thông số động lực học và
các hiện tượng vật lý được mô tả đầy đủ ở một mô hình thay thế. Tác động
qua lại giữa đất và bánh xe cũng được tính đến, thông qua sự phụ thuộc của
lực chủ động bánh xe vào phản lực của đất theo phương thẳng đứng, tính chất
bám và trượt của bánh xe được đặc trưng hóa.
Vogel với công trình của mình [31] đã góp phần làm rõ tính chất động
lực học của một liên hợp máy cày khi lực kéo, tải trọng thẳng đứng và các dao
động (hình 1.2).

mx

2

Fw x 3 .m3
FT

FV2

FT1

FV1

Hình 1.2: Mô hình máy kéo theo Vogel [30]
Mục đích của công trình này là xác định tính chất biên độ, tần số của
các thông số làm việc như tốc độ quay của động cơ, độ trượt, tốc độ chuyển
động, mô men chủ động của bánh xe, tải trọng lên cầu và lực kéo. Ngoài ra

còn giải thích được các hiệu ứng động lực học có dẫn đến sự tổn thất trượt hay
không. Với một mô hình dao động liên kết tính đến các tính chất đàn hồi, cản
của hệ truyền lực và bánh xe, mô men quán tính của các phần tử chuyển động,
dao động lực kéo và cả tác động qua lại của bánh xe vào đất, tác giả đã thực
hiện được việc tính toán mô hình cũng như trong nghiên cứu thực nghiệm.
Trong công trình này mô men của động cơ cũng được biểu diễn là hàm số


11

tuyến tính của tốc độ quay. Qua kết quả tính toán mô hình có thể chỉ ra rằng
trong các điều kiện hoạt động nhất định, sự dao động của lực kéo gây ảnh
hưởng lớn hơn so với sự ảnh hưởng của dao động tải trọng thẳng đứng đến
tính chất động lực học của việc truyền công suất.
Công trình của Pluznikov và Solonski [30] đã tạo ra một mô hình mô
phỏng máy kéo khi thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính. Mô hình đã hệ thống
hóa được các phương án cấu trúc, thí dụ hộp số cơ học, cơ học - thủy lực và
hộp số thủy lực, máy kéo bốn bánh hay hai bánh chủ động, trục thu công suất
loại độc lập hay phụ thuộc, các phương án liên hợp và các quá trình làm việc,
cũng như các phương án hoạt động như quá trình khởi hành sang số và chuyển
động dừng. Các thông số động cơ được thay thế bởi các quan hệ hàm số giữa
mô men quay và chi phí nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ quay và hành trình
tay thước. Mô hình chưa quan tâm đến tính chất đàn hồi và giảm chấn của
bánh xe cũng như của hệ thống truyền lực.
Để mô tả tính chất tiếp xúc giữa đất và bánh xe khi liên hợp máy làm
việc nhiều tác giả đã đưa vào mô hình nghiên cứu quan hệ bám trượt ở nhiều
dạng khác nhau. Trong [32] tác giả đã đưa ra một mô hình phản ánh khá đầy
đủ cả về tính chất hoạt động và cấu trúc của máy kéo (hình 1.3). Mô hình mô
tả tác động qua lại giữa các quá trình làm việc của động cơ với máy điều
chỉnh, tính đến các tính chất đàn hồi và giảm chấn của các phần tử trong hệ

thống, các tính chất bám và trượt của bộ ly hợp cũng như của bánh xe với mặt
đường, tính chất biến đổi mô men quay, tốc độ quay và mô men quán tính qua
hệ thống truyền lực.


12

Hình 1.3: Mô hình các phần tử máy kéo theo Bùi Hải Triều [32]
Mục đích của công trình này là nghiên cứu các trạng thái hoạt động của
máy kéo khi tải trọng ngoài thay đổi cũng như khi có tác động điều khiển điều
chỉnh. Tuy nhiên công trình này mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu tính chất
hoạt động của kéo bánh bơm khi di chuyển trên nền cứng.
Qua các phân tích trên có thể nhận xét rằng: Các chế độ động lực học
của máy kéo nông, lâm nghiệp, đã được nghiên cứu từng phần hoặc theo các
vấn đề riêng bằng lý thuyết, hoặc thực nghiệm đã và đạt đượt các kết quả rất
đáng kể, tuy nhiên các mô hình nghiên cứu chưa mô tả một cách hoàn toàn
đầy đủ các tính chất hoạt động của liên hợp máy như tác động qua lại từ động
cơ đến máy công tác. Các tính chất hoạt động của động cơ được xác định bởi
những quá trình phức tạp, thí dụ như các quá trình lưu động của khí hoặc các
quá trình điều chỉnh thường chỉ được mô tả bởi một đặc tính mô men tĩnh,
hoặc tĩnh tương đương hoặc một hàm số phụ thuộc thời gian xác định bằng
thực nghiệm. Một số công trình sự tác động qua lại giữa động cơ - máy điều