Nghiên Cứu Tính Chất Động Học Và Động Lực Học Của Thiết Bị Tời Cáp Để Vận Xuất Gỗ Rừng Tự Nhiên

Vận xuất gỗ là khâu then chốt trong khai thác rừng, đặc biệt phức tạp trong rừng tự nhiên. 83 trang · Trường Đại Học Lâm Nghiệp · 2010.

• Tác giả: Cao Bá Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Thái
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Máy Và Thiết Bị Cơ Giới Hóa Nông - Lâm Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Động Học Thiết Bị Tời Cáp Để Vận Xuất Gỗ Rừng Tự Nhiên
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ và thiết bị khai thác rừng tự nhiên trên thế giới
• 1.2. Hệ thống thiết bị cơ giới hóa khai thác gỗ
• 1.3. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ và thiết bị khai thác rừng tự nhiên ở Việt Nam
• 1.4. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng thiết bị tời cáp và càng ngoạm để vận xuất gỗ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vận Xuất Gỗ Rừng Tự Nhiên Thách Thức và Giải Pháp

Vận xuất gỗ là khâu then chốt trong khai thác rừng, đặc biệt phức tạp trong rừng tự nhiên. Sự đa dạng về chủng loại, kích thước gỗ lớn, địa hình hiểm trở, và hệ thống giao thông hạn chế gây ra nhiều khó khăn. Việc cơ giới hóa là giải pháp cấp thiết để cải thiện điều kiện làm việc, đảm bảo an toàn, giảm tác động môi trường, và tăng năng suất. Kinh nghiệm quốc tế cho thấy việc ứng dụng máy móc đã mang lại hiệu quả cao. Nghiên cứu của TS. Nguyễn Văn Quân và cộng sự về thiết bị tời cáp lắp sau máy kéo DT-75 đã mở ra hướng đi mới cho vận xuất gỗ rừng tự nhiên ở Việt Nam. Cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn về các tính chất động học và động lực học của thiết bị và liên hợp máy để ứng dụng hiệu quả.

1.1. Thực Trạng Khó Khăn Trong Vận Xuất Gỗ Tự Nhiên

Việc vận xuất gỗ trong rừng tự nhiên ở Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức. Gỗ có kích thước lớn, hình dạng phức tạp, và địa hình hiểm trở làm tăng độ khó và nguy hiểm. Phương pháp thủ công gây lãng phí gỗ và tác động tiêu cực đến môi trường. Giao thông hạn chế và thiếu hụt trang thiết bị càng làm trầm trọng tình hình. Do đó, việc ứng dụng tời cáp vận chuyển gỗ là vô cùng cần thiết. Cần nghiên cứu, phát triển các giải pháp cơ giới hóa phù hợp với điều kiện thực tế.

1.2. Tiềm Năng và Lợi Ích Của Tời Cáp Vận Chuyển Gỗ

Sử dụng thiết bị tời cáp có thể giải quyết nhiều vấn đề trong vận xuất gỗ. Nó giúp giảm sức lao động, tăng năng suất, và đảm bảo an toàn. Hơn nữa, tời cáp có thể hoạt động hiệu quả trên địa hình dốc và phức tạp. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình động học thiết bị tời giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường. Đây là bước quan trọng để hiện đại hóa ngành lâm nghiệp.

II. Phân Tích Động Học Tời Cáp Yếu Tố Ảnh Hưởng Vận Xuất Gỗ

Việc phân tích động học tời cáp là rất quan trọng để hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận xuất gỗ. Các yếu tố như lực kéo cáp, tốc độ kéo cáp, góc kéo cáp, và sức cản đóng vai trò then chốt. Nghiên cứu này giúp xác định các thông số vận hành tối ưu, đảm bảo an toàn, và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Mô hình hóa và tính toán động lực học tời cáp là cơ sở để thiết kế và cải tiến thiết bị.

2.1. Các Yếu Tố Động Học Chính Của Tời Cáp Kéo Gỗ

Để hiểu rõ hoạt động của tời cáp kéo gỗ, cần phân tích các yếu tố động học chính. Lực kéo cáp quyết định khả năng nâng và kéo gỗ. Tốc độ kéo cáp ảnh hưởng đến năng suất. Góc kéo cáp tác động đến sự ổn định và an toàn. Sức cản trong vận chuyển gỗ cần được tính toán để lựa chọn thiết kế tời cáp phù hợp. Việc này đòi hỏi nghiên cứu sâu về bài toán động học tời cáp.

2.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình Động Học Tời Cáp

Mô hình động học thiết bị tời là công cụ quan trọng để mô phỏng và dự đoán hiệu suất. Mô hình này cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến quá trình vận hành. Nó cũng giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra giải pháp khắc phục. Việc xây dựng mô hình động học chính xác là nền tảng để tối ưu hóa vận hành tời cáp và đảm bảo an toàn.

2.3. Ảnh hưởng của Địa hình đến hiệu quả hoạt động Tời Cáp

Địa hình có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của tời cáp. Độ dốc, độ phức tạp của địa hình và các chướng ngại vật ảnh hưởng đến lực kéo cáp, tốc độ kéo cáp và sức cản trong vận chuyển gỗ. Vận chuyển gỗ trên địa hình dốc cần xem xét yếu tố ổn định, ma sát và lực tác động lên hệ thống cáp. Cần có các nghiên cứu cụ thể về vận chuyển gỗ trên địa hình phức tạp để đưa ra các giải pháp phù hợp.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Động Học Thiết Bị Tời Cáp

Nghiên cứu tính chất động học thiết bị tời cáp đòi hỏi phương pháp tiếp cận toàn diện. Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm là chìa khóa để có kết quả chính xác. Các phương pháp bao gồm xây dựng mô hình toán học, mô phỏng trên máy tính, và thực nghiệm trên hiện trường. Dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích thống kê để đánh giá độ tin cậy và đưa ra kết luận. Khảo sát động học tời cáp trong điều kiện thực tế là bước quan trọng để xác nhận tính khả thi của các giải pháp.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học và Mô Phỏng Tời Cáp

Việc xây dựng mô hình toán học chính xác là bước đầu tiên trong nghiên cứu. Mô hình này phải bao gồm tất cả các yếu tố quan trọng như lực kéo, tốc độ, góc kéo, và sức cản. Sau đó, sử dụng phần mềm mô phỏng để phân tích hoạt động của tời cáp trong các điều kiện khác nhau. Các kết quả mô phỏng sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và tối ưu hóa.

3.2. Thực Nghiệm và Đo Đạc Trên Hiện Trường Vận Xuất Gỗ

Thực nghiệm trên hiện trường là bước không thể thiếu để kiểm chứng tính chính xác của mô hình. Đo đạc các thông số như lực kéo, tốc độ, và góc kéo trong quá trình vận xuất gỗ. So sánh kết quả đo đạc với kết quả mô phỏng để đánh giá độ tin cậy của mô hình. Dữ liệu thực nghiệm cũng giúp phát hiện các vấn đề mà mô hình chưa thể dự đoán.

IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Tối Ưu Vận Hành Tời Cáp Kéo Gỗ DT 75

Kết quả nghiên cứu về tính chất động học được ứng dụng để tối ưu hóa vận hành tời cáp lắp trên máy kéo DT-75. Việc này bao gồm lựa chọn chế độ làm việc phù hợp, điều chỉnh thông số vận hành, và thiết kế các giải pháp cải tiến. Mục tiêu là tăng năng suất, giảm tiêu hao năng lượng, và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Áp dụng các tiêu chuẩn an toàn tời cáp là yếu tố quan trọng trong quá trình vận hành.

4.1. Đề Xuất Chế Độ Vận Hành Tối Ưu Cho Tời Cáp DT 75

Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất các chế độ vận hành tối ưu cho tời cáp lắp trên máy kéo DT-75. Các chế độ này phải phù hợp với điều kiện địa hình, loại gỗ, và yêu cầu sản xuất. Cần có hướng dẫn chi tiết về cách điều chỉnh các thông số như tốc độ kéo, lực kéo, và góc kéo. Đảm bảo an toàn là ưu tiên hàng đầu khi vận hành.

4.2. Giải Pháp Cải Tiến Thiết Kế Tời Cáp và Càng Ngoạm

Đề xuất các giải pháp cải tiến thiết kế tời cáp và càng ngoạm để tăng hiệu quả làm việc. Các giải pháp này có thể bao gồm thay đổi vật liệu chế tạo, cải tiến kết cấu, và tối ưu hóa hệ thống điều khiển. Mục tiêu là tăng độ bền, giảm trọng lượng, và dễ dàng bảo trì, sửa chữa tời cáp. Việc này góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành lâm nghiệp.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tời Cáp Vận Xuất Gỗ Tương Lai

Nghiên cứu tính chất động học của thiết bị tời cáp là cơ sở quan trọng để phát triển công nghệ vận xuất gỗ rừng tự nhiên bền vững. Các kết quả nghiên cứu đã đóng góp vào việc tối ưu hóa vận hành và cải tiến thiết kế. Hướng phát triển trong tương lai là nghiên cứu các loại tời cáp thông minh, sử dụng công nghệ điều khiển tự động, và tích hợp các giải pháp bảo vệ môi trường. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp, và cơ quan quản lý để thúc đẩy sự phát triển của ngành lâm nghiệp.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp

Nghiên cứu đã thành công trong việc phân tích động học tời cáp và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận xuất gỗ. Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng để tối ưu hóa vận hành và đề xuất các giải pháp cải tiến thiết kế. Nghiên cứu này góp phần vào việc nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành lâm nghiệp Việt Nam.

5.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Tời Cáp Tiên Tiến

Hướng phát triển trong tương lai là nghiên cứu các loại tời cáp tiên tiến, sử dụng công nghệ điều khiển tự động và tích hợp các giải pháp bảo vệ môi trường. Nghiên cứu rung động tời cáp và ứng dụng các vật liệu mới là những hướng đi tiềm năng. Cần có sự đầu tư và hợp tác để thúc đẩy sự phát triển của ngành.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khai thác và vận xuất gỗ rừng tự nhiên tại Việt Nam là một trong những mắt xích nặng nhọc và tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn lao động nhất trong toàn bộ chuỗi dây chuyền lâm sinh. Theo ước tính từ các khảo sát lâm nghiệp, việc vận chuyển những thân gỗ có chiều dài từ 2,5 đến 9 mét trên các sườn dốc hiểm trở vẫn chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công như lao xeo hoặc dùng sức kéo trâu bò. Thực trạng này khiến tỷ lệ hao hụt gỗ tăng cao, đồng thời làm giảm năng suất lao động xuống dưới mức 3 đến 5 mét khối mỗi ngày công. Trước yêu cầu cấp thiết về việc hiện đại hóa khâu khai thác chọn nhằm bảo vệ thảm thực bì và nâng cao hiệu quả kinh tế, đề tài tập trung giải quyết bài toán cơ giới hóa đồng bộ thông qua việc tích hợp tổ hợp tời cáp và càng ngoạm trên máy kéo bánh xích.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học, khảo sát các tính chất động học và động lực học của liên hợp máy kéo DT-75 khi gắn thiết bị tời cáp - càng ngoạm gỗ chuyên dụng. Địa bàn khảo nghiệm thực nghiệm được triển khai thực tế tại khu vực khai thác rừng tự nhiên thuộc Ban quản lý rừng Sông Chàng, huyện Như Xuân, tỉnh Thanh Hóa vào năm 2010. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học định lượng giúp các đơn vị lâm nghiệp tối ưu hóa lực kéo cáp lên đến 35.200 N, kiểm soát mô men gây lật, đồng thời giảm thiểu hơn 70% cường độ lao động thủ công nguy hiểm cho công nhân khai thác rừng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng cơ học máy, lý thuyết động lực học máy kéo bánh xích và nguyên lý chuyển động của vật thể rắn trên nền đất biến dạng. Ba hệ quy chiếu không gian được thiết lập để mô tả chuyển động gồm hệ tọa độ máy kéo, hệ tọa độ đặt máy và hệ tọa độ chuyển động của thân gỗ. Mô hình tính toán ứng dụng định luật hai Newton kết hợp phương trình vi phân Euler-Lagrange loại hai nhằm thiết lập hệ phương trình trạng thái chuyển động của thân gỗ trong cả hai giai đoạn: giai đoạn lấy đà ban đầu và giai đoạn chuyển động kéo lết bình ổn.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được phát triển xuyên suốt bao gồm:

• Liên hợp máy (LHM): Tổ hợp tích hợp giữa nguồn động lực là máy kéo xích DT-75 công suất 58,88 kW và thiết bị chuyên dùng gồm tời cáp cơ khí kết hợp thủy lực cùng càng ngoạm treo sau.
• Chế độ kéo nửa lết và kéo lết: Quá trình gom gỗ từ vị trí cây ngã đổ về tim đường vận xuất bằng tời cáp trước khi ngoạm nâng đầu gỗ để di chuyển về bãi tập kết.
• Mô men gây mất ổn định: Các đại lượng mô men lật ngang quanh trục vết xích tiếp đất, mô men lật dọc quanh trục bánh sao chủ động và mô men xoay thân máy quanh trục thẳng đứng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ mô hình giải tích kết hợp thực nghiệm hiện trường trên cỡ mẫu gồm 15 đợt kéo gỗ với các khúc gỗ có đường kính từ 200 mm đến 600 mm, chiều dài thay đổi từ 2,5 m đến 9 m. Phương pháp lấy mẫu thực địa theo từng mức tải trọng đại diện giúp phản ánh chính xác đặc thù rừng tự nhiên có độ dốc sườn núi dao động từ 10 độ đến 35 độ.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn giải pháp mô phỏng số thông qua phần mềm MATLAB/Simulink với các khối chức năng chuyên sâu như Gain, Scope, Sum, Math Function và To Workspace. Lý do lựa chọn bộ công cụ này là khả năng giải hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao với độ chính xác cao và thời gian phản hồi nhanh. Song song đó, phương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện được áp dụng ngoài hiện trường. Dữ liệu lực kéo cáp được truyền qua cảm biến lực (loadcell), xử lý qua bộ thu thập dữ liệu Spider 8 và DMCplus, điều khiển trực tiếp trên phần mềm Catman chuyên dụng trong suốt chu kỳ làm việc kéo dài 120 giây của mỗi mẻ kéo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã định lượng hóa thành công các thông số động lực học biến thiên theo thời gian của liên hợp máy qua hai giai đoạn vận hành then chốt:

1. Giai đoạn lấy đà (0 đến 50 giây đầu tiên): Lực kéo cáp tời ghi nhận sự biến thiên đột ngột với lực kéo cực đại Fmax đạt 35.200 N để thắng lực ma sát nghỉ và lực cản chướng ngại vật ban đầu. Trong khoảng thời gian này, mô men lật ngang đạt đỉnh ở mức 41.531 Nm, mô men lật dọc đạt 30.705 Nm và mô men xoay thân máy quanh trục đứng đạt 12.568 Nm.
2. Giai đoạn chuyển động bình ổn: Khi thân gỗ đã đạt vận tốc ổn định từ 0,8 m/s đến 1,2 m/s, lực kéo cáp tời giảm rõ rệt khoảng 20% đến 26%, dao động ổn định trong phạm vi 26.000 N đến 29.000 N. Mô men lật ngang giảm xuống ngưỡng an toàn từ 2.500 Nm đến 12.500 Nm, mô men lật dọc duy trì từ -12.000 Nm đến -7.000 Nm.
3. Cân bằng động lực học hệ thống truyền lực: Công suất hữu ích đo được tại trục thu công suất (PTO) của máy kéo DT-75 đạt 53,52 kW (hiệu suất truyền động 0,91). Bơm thủy lực W4SAEC90 hoạt động ổn định ở áp suất làm việc 214 kg/cm2, cung cấp lưu lượng 126 lít/phút đến mô tơ thủy lực B1-MRCN400 (lưu lượng riêng 396 cm3/vòng), sinh ra mô men quay hữu ích 1.132,95 Nm trên trục kéo.
4. Thông số dung lượng cơ khí: Trống tời chứa được 1.000 m cáp thép đường kính 14 mm phân bố trên 5 lớp quấn, đường kính trong tang tời đạt 200 mm; càng ngoạm có độ mở lớn nhất 1.500 mm và chiều cao nâng tối đa 1.500 mm.

Thảo luận kết quả

Sự tăng vọt của lực kéo và các mô men gây lật trong 50 giây đầu xuất phát từ hiện tượng ghim đầu thân gỗ vào nền đất rừng mấp mô và sức cản ma sát tĩnh ban đầu. Khi góc dốc sườn kéo tăng lên trên 25 độ, mô men lật ngang chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi góc đặt máy so với phương kéo cáp. Nếu góc lệch này vượt quá 20 độ, nguy cơ lật ngang của máy kéo xích sẽ tăng thêm khoảng 35% so với trường hợp kéo thẳng trục.

So sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm trên máy kéo bánh hơi nông nghiệp như dòng máy MTZ-50 (năm 2002) hay máy kéo cỡ nhỏ DFH-180 (năm 1997), việc ứng dụng khung gầm bánh xích của máy kéo DT-75 có trọng lượng bản thân 6.050 kg mang lại khả năng bám đất vượt trội, hạn chế tình trạng trượt lết trên đất than bùn hoặc sườn đồi dốc. Về mặt trình diễn số liệu, toàn bộ diễn biến quá trình gom gỗ có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ phân bố lực kéo theo thời gian (F-t) và bảng ma trận mô men lật đa trục, giúp người vận hành dễ dàng nhận diện vùng tải trọng tới hạn để điều chỉnh tay gạt thủy lực kịp thời.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Hoàn thiện kết cấu cơ khí cụm tời cáp: Nâng cấp vật liệu chế tạo khung treo và tang tời 200 mm bằng thép hợp kim C45 tôi cứng bề mặt nhằm tăng độ bền mỏi và kéo dài tuổi thọ cụm chi tiết thêm 25%. Kế hoạch hoàn thiện cơ khí cần được phòng thiết kế máy lâm nghiệp thực hiện trong vòng 6 tháng.
2. Kiểm soát ngưỡng áp suất hệ thống thủy lực: Lắp đặt cụm van an toàn hạn chế áp suất làm việc tối đa ở mức 210 đến 214 kg/cm2, duy trì lưu lượng dầu 126 lít/phút để triệt tiêu các xung áp đột ngột trong 50 giây đầu của giai đoạn lấy đà. Nhiệm vụ này do kỹ sư cơ điện đảm trách và kiểm tra định kỳ mỗi 50 giờ máy chạy.
3. Quy chuẩn hóa vị trí đỗ máy và góc kéo cáp: Ban hành quy trình kỹ thuật yêu cầu công nhân lái máy đỗ xe song song với phương kéo, khống chế góc lệch đặt máy không vượt quá 15 độ nhằm giữ mô men lật ngang dưới mức 15.000 Nm. Ban quản lý rừng và các tổ trưởng khai thác có trách nhiệm giám sát trực tiếp tại hiện trường.
4. Áp dụng quy trình vận hành gom gỗ hai tốc độ: Khởi động tời cuốn cáp ở tốc độ chậm dưới 0,5 m/s trong 30 đến 50 giây đầu tiên để đưa gỗ vào trạng thái trượt động, sau đó mới tăng tốc lên dải vận tốc tiêu chuẩn từ 0,8 đến 1,2 m/s, giúp giảm thiểu 18% nguy cơ đứt cáp và giảm độ rung lắc thân máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế cơ giới hóa lâm nghiệp: Khai thác mô hình tính toán động học và động lực học để làm thông số đầu vào cho việc thiết kế, cải tiến các bộ tời cáp, tay cần thủy lực và cơ cấu ngoạm lắp trên máy kéo bánh xích.
• Cán bộ kỹ thuật và quản lý lâm trường: Ứng dụng các chỉ dẫn về giới hạn tải trọng, góc dốc làm việc và chế độ vận hành để xây dựng phương án khai thác gỗ rừng tự nhiên an toàn, hạn chế xói mòn đất và gãy đổ cây tái sinh.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Cơ khí Nông - Lâm nghiệp: Sử dụng tài liệu làm bài giảng chuyên đề về động lực học liên hợp máy lâm nghiệp và ứng dụng công cụ MATLAB/Simulink trong mô phỏng hệ cơ học phi tuyến.
• Học viên cao học và sinh viên kỹ thuật: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết vi phân và phương pháp đo đạc thực nghiệm các đại lượng cơ khí bằng cảm biến điện tử ngoài hiện trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao máy kéo DT-75 cần trang bị đồng thời cả tời cáp và càng ngoạm? Việc tích hợp đồng thời hai thiết bị tạo nên chu trình khép kín: tời cáp có chiều dài 1.000 m đảm nhiệm việc gom gỗ từ các khe tụ thủy xa về mép đường vận xuất mà máy không cần di chuyển, trong khi càng ngoạm nâng đầu gỗ cao 1.500 mm để vận xuất nửa lết, giúp giảm 30% lực cản chuyển động.

2. Giai đoạn lấy đà khi gom gỗ có đặc điểm động lực học nào cần lưu ý? Trong khoảng 50 giây đầu của giai đoạn lấy đà, lực kéo cáp biến thiên dữ dội và đạt đỉnh 35.200 N, sinh ra mô men lật ngang lên đến 41.531 Nm. Đây là thời điểm máy kéo có nguy cơ lật cao nhất nên cần hạn chế giật tải đột ngột.

3. Hệ số an toàn chống lật của liên hợp máy phụ thuộc vào những thông số chính nào? Hệ số an toàn chống lật phụ thuộc trực tiếp vào góc dốc địa hình (khảo sát từ 10 đến 35 độ), góc lệch đặt máy so với hướng kéo, chiều cao điểm treo cáp 1,5 m và tải trọng khúc gỗ có khối lượng đại diện từ 1 đến 3 tấn.

4. Nguồn động lực nào cung cấp cho hệ thống tời cáp và xilanh càng ngoạm hoạt động? Toàn bộ hệ thống truyền lực được trích từ trục thu công suất (PTO) của động cơ SMD-14 (công suất 58,88 kW) qua hộp tăng tốc dẫn động bơm thủy lực W4SAEC90 đạt công suất 53,52 kW và áp suất 214 kg/cm2 để vận hành mô tơ tời và các xilanh ngoạm.

5. Việc ứng dụng MATLAB/Simulink mang lại lợi ích gì cho bài toán nghiên cứu này? Phần mềm cho phép mô hình hóa trực quan hệ phương trình vi phân chuyển động 4 bậc tự do của thân gỗ thông qua sơ đồ khối, từ đó xuất ra các biểu đồ vận tốc, lực kéo và mô men xoay theo thời gian thực với độ chính xác cao trước khi thử nghiệm thực địa.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học và phương trình vi phân mô tả chính xác quá trình gom gỗ bằng tời cáp trong hai giai đoạn lấy đà và bình ổn.
• Xác định lực kéo cáp biến thiên đạt cực đại 35.200 N trong 50 giây đầu và ổn định ở dải 26.000 N đến 29.000 N khi vận tốc đạt 0,8 đến 1,2 m/s.
• Định lượng hóa các thành phần mô men lật giới hạn gồm mô men lật ngang 41.531 Nm và mô men lật dọc 30.705 Nm làm cơ sở khống chế an toàn.
• Chứng minh tính tương thích của hệ thống thủy lực dẫn động với công suất trục PTO đạt 53,52 kW, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của bơm và mô tơ thủy lực.
• Hoàn thiện bộ quy chuẩn thông số vận hành thực tế giúp các lâm trường nâng cao năng suất khai thác và bảo vệ môi trường rừng bền vững.

Quý độc giả, kỹ sư lâm nghiệp và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp tục tham khảo chi tiết toàn văn các thuật toán mô phỏng Simulink và đồ thị biến thiên động lực học trong hệ thống lưu trữ học thuật để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ và thiết bị khai thác rừng tự nhiên trên thế giới. Công nghệ khai thác Ở các nước phát triển về lâm nghiệp như Phần Lan, Thụy Điển, Nga …và các nước có tài nguyên rừng phong phú như Brazil, Ethiopia, …người ta thường áp dụng một số loại hình công nghệ khai thác sau: Công nghệ khai thác gỗ nguyên cây (full-tree method): Cây gỗ sau khi hạ được giữ nguyên cành lá rồi được vận xuất ra bãi gỗ. Tại bãi gỗ người ta mới tiến hành cắt cành, cắt khúc theo qui cách sản phẩm, bốc lên phương tiện và vận chuyển đến nơi tiêu thụ.

Công nghệ khai thác gỗ dài (tree-length method): Cây gỗ sau khi hạ được cắt cành, ngọn tại nơi chặt hạ rồi được vận xuất ra bãi gỗ. Tại bãi gỗ chúng được cắt khúc theo qui cách sản phẩm, bốc lên phương tiện và vận chuyển đến nơi tiêu thụ. Công nghệ khai thác gỗ ngắn (shortwood method): Toàn bộ các thao tác hạ cây cắt cành, ngọn và cắt khúc theo qui cách sản phẩm đều được thực hiện tại nơi chặt hạ. Sau đó, các khúc gỗ được vận xuất đến bãi gỗ rồi bốc lên phương tiện vận chuyển về nơi tiêu thụ.

Các loại hình công nghệ khai thác trên nói chung được áp dụng rộng rãi tuy vậy tuỳ vào từng khu vực, điều kiện địa hình, loại rừng đặc trưng và yêu cầu bảo vệ môi trường mà áp dụng loại hình công nghệ phù hợp. Ở các nước đang phát triển hoạt động khai thác gỗ có thể được chia thành 2 nhóm rõ ràng: Khai thác gỗ ở rừng tự nhiên và khai thác gỗ trong các 4 đồn điền. Đối với các khu vực nhiệt đới thì diện tích rừng tự nhiên chiếm số lượng khá lớn. Công nghệ và thiết bị phục vụ khai thác rừng tự nhiên đòi hỏi máy móc và chi phí khá tốn kém.

Hiện nay do sự suy thoái dần của rừng tự nhiên. Do vậy ở các nước đang phát triển việc phát triển các khu rừng trồng đang được ưu tiên mở rộng để đáp ứng nhu cầu hiện tại và tương lai. Trong những năm gần đây công nghệ khai thác với việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu tác động tác động xấu đến môi trường là vấn đề được quan tâm nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới. Hiệu quả của khâu khai thác gỗ không chỉ tính riêng về mặt kinh tế mà còn bao gồm cả hiệu quả của các biện pháp hạn chế tác động đến môi trường.

Hội thảo của Ủy ban lâm nghiệp Châu Á – Thái Bình Dương (Asia – Pacific Foresty Commission) 2/1998 đã ban hành "Quy phạm thực hành về khai thác rừng khu vực Châu Á – Thái Bình Dương". Quy phạm này đưa ra các hướng dẫn về các quy tắc khai thác rừng tự nhiên ở khu vực Châu Á – Thái Bình Dương nhằm giảm thiểu tác động xấu đến môi trường. Trong tất cả các khâu của quá trình khai thác gỗ, khâu vận xuất giữ một vai trò hết sức quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến năng suất, giá thành và chi phí khai thác. Để giảm giá thành, tăng năng suất lao động, đồng thời vẫn đảm bảo yêu cầu về môi trường, xã hội, nên nhiều nước trên thế giới đã không ngừng cải tiến công nghệ và thiết bị, áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật mới cho khâu vận xuất.

Để vận xuất gỗ từ nơi chặt hạ ra các bãi gỗ, tùy theo điều kiện của mỗi nước và mỗi vùng sản xuất khác nhau mà áp dụng các hình thức sau: - Hình thức vận xuất gỗ bằng thủ công: Vác vai, súc vật kéo,. - Hình thức vận xuất gỗ bằng máng lao; - Hình thức vận xuất gỗ bằng tời; 5 - Hình thức vận xuất gỗ bằng đường cáp trên không; - Hình thức vận xuất gỗ bằng máy kéo; - Hình thức vận xuất gỗ bằng khinh khí cầu hoặc máy bay.2 Hệ thống thiết bị cơ giới hóa khai thác gỗ Hiện nay ở trên thế giới với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực lâm nghiệp nói riêng, các nghiên cứu, cải tiến đã được ứng dụng rộng rãi vào thực tế sản xuất. Thiết bị chặt hạ dần được cải tiến theo hướng hoàn thiện kết cấu, tăng năng suất, giảm tối đa chi phí và nghiên cứu cải tiến các LHM vừa khai thác, vừa vận xuất. Các loại liên hợp máy vừa khai thác, vận xuất và bốc dỡ đã đưa vào sử dụng rộng rãi.

Trên hình vẽ 1.1 LHM hạ cây cắt cành, cắt khúc. Ở đây ngoạm được trang bị trên tay thuỷ lực đồng thời ngoạm được trang bị bộ phận cắt để hạ cây, cắt cành, ngọn và cắt khúc [23].1 LHM khai thác gỗ khúc Trong công nghệ khai thác gỗ nguyên cây, các LHM vận xuất - bốc dỡ được trang bị ngoạm lắp trên tay thuỷ lực và rơmoóc. Gỗ sau khi được chặt hạ, để nguyên cả cây. Sau đó LHM vận xuất - bốc dỡ kẹp chặt một đầu gỗ bằng cơ cấu càng ngoạm, nâng và vận xuất theo phương pháp nửa lết ra bãi 6 gỗ.

Tại bãi gỗ các công việc như cắt cành, cắt ngọn, cắt khúc mới được thực hiện.3 là một số LHM vận xuất có trang bị tay thuỷ lực với cơ cấu ngoạm.2 Ngoạm được trang bị trên các LHM vận xuất - bốc dỡ Hình 1.3 Vận xuất gỗ bằng thiết bị càng ngoạm lắp trên máy kéo bánh hơi Đối với rừng tự nhiên, do địa hình khai thác khó khăn (độ dốc lớn), đường kính cây gỗ lớn, các LHM khai thác - vận xuất yêu cầu phải có lực kéo và bám lớn. Đáp ứng yêu cầu này thì chỉ có máy kéo bánh xích, các loại máy kéo xích có công suất lớn, khả năng kéo bám ổn định cao. Chính vì vậy nên các LHM khai thác - vận xuất có cơ cấu bánh xích đã sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới. Liên hợp máy khai thác gỗ nguyên cây do hãng Timberjack sản xuất [26] Ở một số nước như Phần Lan, Nga, khi khai thác gỗ ở những vùng đất yếu (đất than bùn ) người ta sử dụng máy kéo xích để vận xuất gỗ.

Mặt khác ta thấy đối với rừng tự nhiên do địa hình khai thác khó khăn (độ dốc lớn, khu khai thác rộng) nhằm hạn chế sự di chuyển của máy kéo để giảm thiểu chi phí năng lượng, sự phá hoại đất rừng và cây con. Trên máy kéo cần phải được trang bị thêm hệ thống tời cáp để gom gỗ từ các điểm khác nhau trong khu vực khai thác về tập trung một chỗ. Do đó một số loại máy kéo xích ngoài ngoạm được lắp trên tay thuỷ lực, còn được trang bị thêm tời cáp để kéo gỗ ở các khu vực khác nhau trong khu khai thác theo phương pháp lết hoặc nửa lết về tập trung tại vị trí của máy kéo. Theo phương pháp này thì máy kéo đứng yên một chỗ, dùng cáp buột vào đầu cây gỗ, sau đó dùng tời để kéo gỗ về vị trí đỗ máy.

Phương pháp này hạn chế sự di chuyển của máy kéo trong khu khai thác do vậy giảm thiểu được sự phá hoại đất rừng và các loại cây còn lại trong quá trình vận xuất (hình 1. Vận xuất gỗ rừng tự nhiên bằng thiết bị tời cáp trên máy kéo bánh xích. a- Gom gỗ bằng tời cáp được trang bị trên máy kéo bánh xích; b- Vận xuất gỗ bằng máy kéo theo phương pháp kéo nửa lết bằng máy kéo bánh xích. Hiện nay các nghiên cứu về máy kéo xích trên thế giới đang tập trung chủ yếu vào một số hướng sau đây: [10] - Tăng công suất của động cơ, giảm trọng lượng để tăng tốc độ của máy kéo.

- Hoàn thiện hệ thống truyền lực nhờ sử dụng truyền lực thuỷ lực cho phép truyền động được êm dịu. - Hoàn thiện bộ phận truyền động: Sử dụng xích cao su có vấu thép để làm việc ở những nơi có nền đất yếu (áp lực lên đất cho phép 0. - Chế tạo cơ cấu căng xích cho phép giảm lực cản chuyển động của đầu kéo khi chuyển động ở các tốc độ khác nhau. - Mắt xích được rèn từ thép hợp kim lắp các ngõng cao su cho phép mắt xích uốn lượn được không bị gãy khi đi qua đá và kéo dài tuổi thọ.

- Hoàn thiện hệ thống treo của máy kéo. - Hoàn thiện hệ thống khung máy: Sử dụng khung gập. 9 - Tạo điều kiện thuận lợi cho người lái: Thiết kế cabin nằm cân xứng theo trục dọc của máy kéo, trang bị hệ thống lò xo, giảm xóc cho ghế lái. - Nghiên cứu thay thế dần xích làm từ kim loại bằng vật liệu compesite để giảm thiểu sự phá hoại đất rừng và cây con.

Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ và thiết bị khai thác rừng tự nhiên ở Việt Nam.1 Về công nghệ khai thác Ở Việt Nam, loại hình công nghệ khai thác gỗ phổ biến là khai thác gỗ ngắn. Gỗ được chặt hạ bằng phương pháp thủ công hoặc cưa xăng và được vận xuất ra ven đường hoặc bãi gỗ theo phương pháp thủ công (vác vai, lao xeo hoặc trâu bò kéo). Tuy nhiên ở mỗi vùng, khu vực khác nhau do điều kiện địa hình, trữ lượng gỗ và cơ sở vật chất được trang bị mà có các công nghệ khai thác phù hợp. Ví dụ ở Nam Trung Bộ do địa hình rừng có độ dốc nhỏ, mật độ tập trung diện tích rừng lớn hơn so với độ dốc và mật độ tập trung của rừng ở Vùng núi phía Bắc nên công nghệ khác thác cũng khác nhau nhiều.

Việc áp dụng máy móc cơ giới hóa khai thác gỗ nói chung và vận xuất gỗ nói riêng ở khu vực Nam Trung Bộ rất thuận lợi.7 thể hiện 2 loại hình công nghệ khai thác gỗ điển hình ở Miền Bắc và Tây Nguyên thuộc Nam Trung Bộ. Chặt hạ Cắt khúc Xẻ hộp Vận xuất (cưa xăng) (Cưa xăng) (Cưa xăng) (Súc vật hoặc Bãi gỗ máy kéo) Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ khai thác gỗ rừng tự nhiên ở miền Bắc Trong sơ đồ công nghệ này, khâu chặt hạ, cắt khúc và xẻ hộp chủ yếu được thực hiện chủ yếu bằng cưa xăng. Do địa hình quá dốc nên khâu vận xuất trong sơ đồ công nghệ này đa số được thực hiện bằng xúc vật kéo hoặc lao xeo. Trong một số trường hợp địa hình không quá phức tạp người ta sử dụng 10 máy kéo chuyên dùng để ngoạm gỗ hoặc sử dụng thiết bị tời cáp để gom gỗ về phía chân dốc rồi từ đó dùng máy kéo để vận xuất tới bãi gỗ.

Sơ đồ công nghệ này có ưu điểm là chi phí trên một đơn vị sản phẩm thấp, điều kiện đầu tư thấp cũng có thể thực hiện được.