Luận án về tính chất và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp trên máy kéo nhỏ 4 bánh

Luận án nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh, mang lại giải pháp tối ưu cho hiệu suất.

• Tác giả: Nguyễn Công Thuật
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Hải Triều
• Trường học: Học viện Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Cơ điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Truyền Động Vô Cấp Cho Máy Kéo Nhỏ 4 Bánh
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ 4 bánh là một phần quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất làm việc của máy kéo trong sản xuất nông nghiệp. Hệ thống truyền động này cho phép thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục, giúp máy kéo hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện tải trọng khác nhau. Việc áp dụng công nghệ truyền động vô cấp không chỉ giúp cải thiện khả năng vận hành mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành. Theo nghiên cứu, máy kéo nhỏ thường sử dụng truyền động vô cấp để tối ưu hóa hiệu suất làm việc, đặc biệt trong các vùng canh tác có địa hình phức tạp. Các loại máy kéo 4 bánh hiện nay chủ yếu được trang bị hệ thống truyền động này nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất nông nghiệp ngày càng cao.

1.1. Khái quát về máy kéo nhỏ

Máy kéo nhỏ, với công suất dưới 20 kW, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Chúng được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính linh hoạt và khả năng làm việc trong các điều kiện khác nhau. Máy kéo nông nghiệp này thường được trang bị hệ thống cơ khí đơn giản, giúp giảm chi phí sản xuất và bảo trì. Việc sử dụng truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho nông dân trong việc canh tác và vận chuyển. Nghiên cứu cho thấy rằng việc cải tiến hệ thống truyền động cho máy kéo nhỏ là cần thiết để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong sản xuất nông nghiệp.

1.2. Công nghệ truyền động vô cấp

Công nghệ truyền động vô cấp (CVT) đã được áp dụng rộng rãi trong các loại máy kéo hiện đại. Hệ thống này cho phép thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục, giúp máy kéo hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện tải trọng khác nhau. Công nghệ truyền động này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành. Việc áp dụng hệ thống truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ là một giải pháp tối ưu, giúp nâng cao năng suất và giảm thiểu sức lao động cho nông dân. Nghiên cứu cho thấy rằng việc cải tiến hệ thống truyền động cho máy kéo nhỏ là cần thiết để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong sản xuất nông nghiệp.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận án này bao gồm mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ. Việc xây dựng mô hình toán học cho các phần tử trong hệ thống là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về tính chất hoạt động của hệ thống truyền động. Mô phỏng giúp kiểm tra các phương án điều khiển tỷ số truyền và đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Các thí nghiệm thực nghiệm cũng được thực hiện để xác minh các kết quả lý thuyết. Phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn tạo cơ sở cho việc phát triển các giải pháp điều khiển tự động cho máy kéo nhỏ.

2.1. Mô hình hóa hệ thống

Mô hình hóa hệ thống truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp toán học và mô phỏng. Việc xây dựng mô hình cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống truyền động. Các thông số như lực kẹp, tỷ số truyền và áp suất trong hệ thống thủy lực được xác định để tối ưu hóa hoạt động của máy kéo. Mô hình hóa không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động mà còn tạo điều kiện cho việc phát triển các giải pháp điều khiển tự động, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của máy kéo 4 bánh.

2.2. Thí nghiệm thực nghiệm

Thí nghiệm thực nghiệm được thực hiện để kiểm chứng các kết quả lý thuyết và mô phỏng. Các thiết bị thí nghiệm được chế tạo để đo lường và thu thập dữ liệu về hiệu suất của hệ thống truyền động. Các thí nghiệm này giúp đánh giá tính khả thi của các phương án điều khiển tỷ số truyền và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của máy kéo nhỏ. Kết quả từ các thí nghiệm thực nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc cải tiến thiết kế và phát triển các giải pháp điều khiển tự động cho máy kéo nông nghiệp.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng hệ thống truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất làm việc. Các thí nghiệm thực nghiệm đã xác nhận rằng hệ thống này có khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện tải trọng khác nhau. Việc điều khiển tỷ số truyền một cách tự động giúp máy kéo hoạt động ổn định và tiết kiệm nhiên liệu. Các ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao năng suất sản xuất nông nghiệp mà còn giảm thiểu sức lao động cho nông dân. Nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các loại máy kéo nhỏ với công nghệ truyền động tiên tiến, phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

3.1. Ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp

Việc áp dụng hệ thống truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ trong sản xuất nông nghiệp đã cho thấy nhiều lợi ích. Hệ thống này giúp máy kéo hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện tải trọng khác nhau, từ đó nâng cao năng suất và giảm thiểu sức lao động cho nông dân. Các máy kéo nhỏ được trang bị công nghệ truyền động này có khả năng làm việc linh hoạt hơn, đáp ứng tốt hơn nhu cầu canh tác và vận chuyển. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn cao trong sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam.

3.2. Đề xuất cải tiến

Dựa trên kết quả nghiên cứu, một số đề xuất cải tiến cho hệ thống truyền động vô cấp được đưa ra. Việc tối ưu hóa thiết kế và cải tiến công nghệ chế tạo sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các giải pháp điều khiển tự động cũng cần được phát triển để đáp ứng tốt hơn yêu cầu hoạt động của máy kéo nhỏ. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các loại máy kéo nhỏ với công nghệ truyền động tiên tiến, phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.