đặt vấn đề “Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh”, nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho việc chế tạo máy kéo nhỏ bốn bánh truyền lực vô cấp phân tầng tại Việt Nam. Giả thuyết vấn đề nghiên cứu Trên cơ sở kết cấu hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ, thay thế truyền động đai thang truyền thống bằng bộ truyền động vô cấp đai thang bản rộng kết hợp hộp số cơ khí đơn giản với hai cấp số truyền (vô cấp phân tầng) điều khiển bằng tay tƣơng ứng với chế độ canh tác và vận chuyển. Sử dụng phƣơng pháp điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp (CVT) bằng cách thay đổi lực kẹp ở bánh đai chủ động và bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo, hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn với van đóng ngắt điều khiển lực ép bánh đai chủ động để đạt đƣợc tỷ số truyền mong muốn. Phƣơng án kiểm định giả thiết Trên cơ sở xây dựng mô hình toán các phần tử, mô hình hóa, mô phỏng hệ thống, tiến hành khảo sát các phƣơng án điều khiển tỷ số truyền trên mô hình; thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tự động tỷ số truyền của truyền động vô cấp theo tải trọng nhằm kiểm định kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng.
Mục tiêu của luận án Lựa chọn phƣơng án và xây dựng hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền bộ truyền động đai vô cấp đáp ứng yêu cầu giữ điểm làm việc của LHM tại vùng làm việc có lợi nhất trên đặc tính của động cơ, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật. Đối tƣợng nghiên cứu Bộ truyền động vô cấp đai thang cho máy kéo bốn bánh có công suất nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam. Giới hạn nghiên cứu Tính chất truyền động và điều khiển bộ truyền động vô cấp đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng; thí nghiệm kiểm chứng đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm trên cơ sở chế tạo thiết bị thí nghiệm tự động điều khiển tỷ số truyền theo tải trọng, tải trọng đƣợc tạo bằng cách thay đổi áp suất trong hệ thống thủy lực phụ tải; phần điều khiển điện tử của thiết bị đƣợc đơn giản hóa theo mục tiêu nghiên cứu của luận án. Thời gian nghiên cứu: từ tháng 5 năm 2011 đến tháng 5 năm 2014 7.
Đóng góp mới của luận án Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng liên hợp với máy nông nghiệp mô tả đầy đủ về kết cấu, hoạt động và tác động qua lại giữa các phần tử Máy kéo – Máy cày – Đất canh tác. Mô hình có thể đƣợc sử dụng để khảo sát linh hoạt hệ thống theo các điều kiện thay đổi tải trọng và mức ga để đánh giá tính chất điều khiển và truyền động của LHM. Thiết bị thí nghiệm đƣợc thiết kế chế tạo từ luận án sử dụng các phƣơng pháp đo, thu nhận số liệu, xử lý và điều khiển hiện đại có thể thử nghiệm tốt các phƣơng án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát các phƣơng án thay đổi tải, đƣợc sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây 3 dựng chƣơng trình điều khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng. Xác định đƣợc phƣơng án điều khiển tự động tỷ số truyền của truyền động vô cấp bằng hệ thống thủy lực sử dụng van đóng ngắt tạo lực ép tác động vào bánh đai chủ động của bộ truyền, bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo có kết cấu đơn giản, phù hợp với điều kiện sản xuất Việt Nam.
4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam Điều kiện sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam có những nét đặc thù riêng về địa hình và cơ cấu cây trồng. Đồng bằng Nam bộ có diện tích đất canh tác rộng thuận lợi phù hợp với những loại máy kéo có công suất trung bình (20 – 60 kW), do đặc điểm canh tác nên vùng Trung du miền núi phù hợp với các loại máy kéo có công suất lớn (trên 60 kW), trong khi đó ở đồng bằng Bắc bộ và duyên hải miền Trung thì diện tích canh tác ít, diện tích các thửa ruộng nhỏ, mặt khác cơ cấu cây trồng rất đa dạng, không đồng nhất do thiếu quy hoạch nên yêu cầu cơ giới khác nhau, vì vậy chỉ phù hợp với các máy kéo có công suất nhỏ (Nguyễn Điền và Nguyễn Đăng Thân, 1984; Nguyễn Văn Sắt, 1990; Hoàng Quốc Đô, 1993). Mức độ trang bị động lực trên một đơn vị canh tác thể hiện khả năng cơ giới hóa nông nghiệp của mỗi nƣớc.
Ở các nƣớc phát triền tỷ lệ này đạt rất cao, ví dụ: Mỹ là 92kW/ha, Nhật 25,76kW/ha, Trung Quốc 4,46kW/ha, các nƣớc Đông Nam Á khoảng 2.994kW/ha, trong khi ở Việt Nam đạt khoảng 1,877kW/ha (Cục chế biến, 2011). Tính đến năm 2012, ở Việt Nam có khoảng 300 nghìn máy kéo các loại sử dụng trong sản xuất nông nghiệp với tổng công suất lên tới 3,68 triệu kW, trong đó công suất của máy kéo lớn chỉ chiếm khoảng 40% (Phạm Văn Lang, 2012), mức độ cơ giới hóa trong khâu làm đất trồng lúa ở miền Bắc là 76,4%, cả nƣớc là 89,5% (Việt Hà, 2013). Đảng và Nhà nƣớc đã có chủ trƣơng từng bƣớc xây dựng ngành chế tạo máy kéo và giao cho Bộ công nghiệp nặng tổ chức nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử máy kéo. Tính đến nay, ngành cơ khí nƣớc ta đã hơn 15 lần tiến hành tổ chức nghiên cứu chế thử máy kéo 4 bánh (chủ yếu là chế tạo chép mẫu) nhƣng vẫn chƣa thu đƣợc kết quả mong muốn.
Duy nhất chỉ có loại máy kéo đẩy tay Bông sen 12 đƣợc chế tạo hàng loạt với số lƣợng lớn, tuy nhiên theo đánh giá của nhiều chuyên gia thì công nghệ chế tạo ra loại máy kéo 2 bánh đơn giản này khác 5 hẳn và thấp hơn nhiều công nghệ chế tạo máy kéo 4 bánh (Phạm Văn Lang, 1996). Các máy kéo nhỏ có hệ thống di động phù hợp có thể hoạt động hiệu quả trên đất khác nhau. Trong sản xuất nông nghiệp chúng đƣợc sử dụng cho các nhiệm vụ khác nhau nhƣ canh tác, thu hoạch và vận chuyển. Hầu hết các máy kéo nhỏ sử dụng ở Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản.
Bánh đai chủ 9,2kW(12ML) động 2200v/p 45Nm Truyền động Tốc độ ứng với đai(i=1,68) Phanh số truyền Số tiến I: 1,4 km/h II: 2,5 III: 4,1 IV: 5,3 V: 9,5 VI: 15,3 Số lùi RI: 1 km/h RII: 3,8 Bánh đai bị động và li hợp Hình 1. Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS12 Nguồn: VEAM, 2013 Trên hình 1.2 thể hiện sơ đồ máy kéo nhỏ hai bánh BS12 và BS165 do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) sản xuất có các đặc điểm cơ bản sau: - Động cơ diesel bốn kỳ, một xi-lanh có công suất 12kW (16,5 mã lực). - Truyền động đai thang từ động cơ xuống hộp số với tỷ số truyền i = 1,68. - Hộp số cơ khí với 6 số tiến và 2 số lùi.
- Li hợp nằm ở puly bị động của truyền động đai. Sử dụng hai li hợp lái trên đƣờng truyền lực cuối thay cho bộ vi sai. 6 12,7kW(16,5ML) 2200v/p 55,2Nm Bánh đai chủ động Tốc độ ứng với số truyền Truyền động Số tiến I: 1,98 km/h đai(i=1,68) Phanh II: 3,5 III: 5,9 IV: 7,3 V: 13,0 VI: 21,8 Số lùi Bánh đai bị động RI: 1,56 km/h RII: 5,78 và li hợp Hình 1. Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS16,5 Nguồn: VEAM, 2013 Dạng truyền động này không còn đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của công việc canh tác và ngƣời sử dụng máy kéo.
Khi đƣợc sử dụng, chúng có những nhƣợc điểm sau: - Lực điều khiển lớn, - Tính cơ động của máy kéo kém, - Năng suất thấp, - Tiêu thụ nhiên liệu cao. - Vận hành, điều khiển khó khăn. - Ô nhiễm môi trƣờng Ngành công nghiệp máy kéo Việt Nam vẫn đang trong giai đoạn ban đầu của sản xuất các hệ thống máy đơn giản. Trong tƣơng lai định hƣớng sản xuất đủ nhu cầu trong nƣớc về máy kéo hai bánh với 6, 8 và 12 mã lực và sản xuất máy kéo bốn bánh đầu tiên với 18, 20, 25 và 30 mã lực.
Gần đây Tổng 7 công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam giới thiệu mẫu máy kéo nhỏ bốn bánh (hình 1.3) đã khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của máy kéo hai bánh nhƣ: giảm lực điều khiển nhờ sử dụng cơ cấu lái, tăng tính cơ động của máy kéo… Mặc dù đã khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của máy kéo hai bánh, mẫu máy kéo này vẫn sử dụng hệ thống truyền lực truyền thống: truyền động đai và hộp số có sáu số tiến và hai số lùi nên chƣa cải thiện nhiều đƣợc các chỉ tiêu: năng suất, mức chi phí nhiên liệu, ô nhiễm và mức độ thuận tiện trong điều khiển vận hành. Máy kéo nhỏ bốn bánh do VEAM sản xuất Nguồn: VEAM, 2013 Hệ thống máy kéo ở nƣớc ta, cả máy nhỏ và máy lớn phần lớn là có nguồn gốc nhập ngoại, chủ yếu mang tính tự phát và dƣờng nhƣ còn thiếu những cứ liệu khoa học trong lựa chọn. Phải qua một thời gian dài sử dụng, thực tiễn đã chọn lọc đƣợc một số loại máy kéo tƣơng đối phù hợp với điều kiện sản xuất nông nghiệp của nƣớc ta nhƣ các loại máy kéo MTZ-50, MTZ-80 (đối với miền Bắc); R-551, MF-265, Steyer 768 và John Deere 3020 (đối với miền Nam). Các máy kéo nhỏ có công suất dƣới 30kW có nguồn gốc nƣớc ngoài (chủ yếu từ Nhật Bản và Trung Quốc) cũng đƣợc sử dụng trong sản xuất nông nghiệp.
8 Nhìn chung các máy kéo nhỏ này có đặc điểm cơ bản sau: + Động cơ diesel ba xi lanh + Li hợp đơn ma sát khô + Hệ thống truyền lực có 8 -9 số tiến và 3-4 số lùi Tuy nhiên trong những năm gần đây, do giá máy kéo quá cao (từ 3.000 USD/chiếc), vƣợt quá sức mua của nông dân, cộng thêm sự khan hiếm về phụ tùng thay thế sửa chữa nên số lƣợng máy nhập mới hầu nhƣ không đáng kể, chủ yếu là các máy kéo cũ. Nƣớc ta có nguy cơ trở thành bãi thải máy kéo cũ cho các nƣớc công nghiệp khác. Do vậy, nghiên cứu và sản xuất máy kéo phù hợp với các điều kiện trong nƣớc là thực sự cần thiết đáp ứng mục tiêu cơ giới hóa nông nghiệp ở Nƣớc ta.