Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu truyền động vô cấp sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh trên máy kéo nông nghiệp" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Duy Súy, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Bùi Hải Triều và TS. Trịnh Minh Hoàng, bảo vệ tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam năm 2022 thuộc ngành Kỹ thuật Cơ khí (mã số 9 52 01 03).

Hộp số máy kéo nông nghiệp giữ vai trò biến đổi mô men và số vòng quay từ động cơ để thích ứng với các dạng phụ tải biến động liên tục trong canh tác. Về mặt lý thuyết, khả năng khai thác tối đa công suất động cơ chỉ đạt được khi trang bị hệ thống truyền động vô cấp. Trên thế giới, việc hoàn thiện hệ thống truyền lực máy kéo phát triển từ hộp số phân cấp sang số dưới tải (powershift), hộp số vô cấp cơ khí (đai thang, xích biến tốc), hộp số thủy tĩnh thuần túy (HST) và hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh (HSPNCS - Hydrostatic Power Split Transmission). Hộp số vô cấp cơ khí chỉ phù hợp cho máy kéo công suất nhỏ dưới 20 đến 30 mã lực; hộp số thủy tĩnh thuần túy có hiệu suất truyền lực thấp. Do đó, HSPNCS là giải pháp kết hợp khả năng điều khiển vô cấp của nhánh thủy tĩnh với hiệu suất truyền động cao của nhánh cơ khí. Tuy nhiên, các dòng HSPNCS thương mại hóa trên thế giới (của các hãng Case, Claas, John Deere, Fendt, Steyr) chủ yếu trang bị cho máy kéo công suất lớn trên 60 kW (trên 80 mã lực) với chi phí cao và tài liệu công nghệ bảo mật.

Tại Việt Nam, dải công suất máy kéo từ 30 đến 50 mã lực là nhóm phù hợp nhất với điều kiện ruộng đất manh mún và năng lực kinh tế của nông dân. Phần lớn máy kéo đang vận hành thuộc dải công suất này là máy nhập khẩu (cũ hoặc mới) từ Nhật Bản, Trung Quốc, hoặc các mẫu lắp ráp nội địa (như dự án của THACO hay VEAM), nhưng toàn bộ đều sử dụng hộp số cơ khí phân cấp (6 đến 9 số tiến, 2 đến 4 số lùi). Nhược điểm cố hữu là ngắt dòng lực khi chuyển số, gây va đập cơ học và khó duy trì chế độ làm việc tối ưu của động cơ. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là chưa có công trình nào trong nước nghiên cứu một cách hệ thống về cấu hình, mô hình động lực học và thuật toán điều khiển HSPNCS phù hợp với dải công suất 30 đến 50 mã lực dựa trên điều kiện công nghệ và thiết bị sẵn có tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể:

  1. Mục tiêu chung: Xác định một số tính chất truyền động và điều khiển của hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh nhằm xây dựng cơ sở khoa học để phát triển hệ thống truyền động vô cấp trên máy kéo nông nghiệp có công suất 30 đến 50 mã lực.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Một là, xác định cấu hình của HSPNCS phù hợp với máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực;
    • Hai là, xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của HSPNCS và thí nghiệm để kiểm chứng và đánh giá độ tin cậy của mô hình;
    • Ba là, nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền để lựa chọn chế độ làm việc tối ưu của máy kéo sử dụng HSPNCS khi làm việc với tải trọng kéo lớn trên đồng ruộng.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh và hệ thống truyền lực vô cấp ứng dụng trên máy kéo nông nghiệp dải công suất 30 đến 50 mã lực.

Phạm vi nghiên cứu được xác định:

  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực hiện tại Bộ môn Động lực - Học viện Nông nghiệp Việt Nam và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bệ thử và thực nghiệm tiến hành tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực - Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
  • Phạm vi thời gian: Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực hiện từ tháng 6/2017 đến tháng 8/2020; nghiên cứu thiết kế, chế tạo bệ thử và thực nghiệm tiến hành từ tháng 1/2019 đến tháng 2/2020.
  • Giới hạn nghiên cứu: Luận án tập trung khảo sát các tính chất truyền động và điều khiển của HSPNCS trong ba chế độ làm việc tiêu biểu gồm khởi hành, chuyển số và thay đổi tải trọng kéo. Các yếu tố phi tuyến phức tạp như động học chi tiết bên trong động cơ diesel, độ biến dạng lốp trên nền đất ruộng thực tế và đặc thù làm việc của từng loại máy công tác chuyên biệt gắn sau máy kéo chưa được đưa vào phạm vi giải quyết của luận án.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án phân tích thực trạng sử dụng máy kéo tại Việt Nam gắn liền với các định hướng cơ giới hóa nông nghiệp:

Chỉ tiêu thống kê nông nghiệp và máy kéo Giá trị ghi nhận trong văn bản
Mức trang bị động lực bình quân cả nước (đến năm 2020) 1,6 mã lực/ha
Mức trang bị động lực trong sản xuất lúa 2,2 mã lực/ha
Tổng số lượng máy kéo nông nghiệp cả nước Khoảng 600.000 máy kéo
Số lượng máy kéo cỡ lớn và cỡ trung Khoảng 238.000 máy kéo
Diện tích đất canh tác trung bình mỗi hộ gia đình 0,44 ha/hộ (85% thửa ruộng < 0,5 ha)
Tỷ lệ cơ giới hóa khâu làm đất trồng lúa bình quân 85,21% (ĐBSH và ĐBSCL: 96%; Miền núi phía Bắc: 51,7%)
Tỷ lệ cơ giới hóa khâu làm đất cây trồng cạn Mía: 80%; Ngô: 70%; Sắn: 8%; Rau chuyên canh: 90%
Tỷ lệ cơ giới hóa khâu gieo cấy lúa / mía / cao su Lúa: 30%; Mía: 30%; Cao su: khoảng 70%
Tỷ lệ cơ giới hóa khâu chăm sóc (vun xới, phun thuốc) Lúa: khoảng 60%; Chè và mía: 70%
Cơ cấu nguồn cung máy kéo nông nghiệp Nhập khẩu chiếm 70% (50% máy cũ); Nội địa chiếm 30%

Về mặt chính sách, luận án viện dẫn Quyết định số 02/2008/QĐ-BCT của Bộ Công thương và Quyết định số 1342/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ định hướng sản xuất trong nước máy kéo 4 bánh cỡ 18-35 mã lực và 35-50 mã lực thay thế nhập khẩu. Luận án khảo cứu các công trình nghiên cứu phát triển truyền động vô cấp trên thế giới và tại Việt Nam qua bốn nhóm chính:

  1. Hộp số vô cấp cơ khí: Ứng dụng đầu tiên ghi nhận từ năm 1957 trên máy kéo MAN A25 công suất 18 kW (24 mã lực) sử dụng bộ biến tốc đai ASL8 Reimers điều khiển tay phạm vi biến thiên 1 đến 4 kết hợp hộp số 2 tiến 1 lùi (Kirste, 1989). Các phiên bản sau gồm ASL210 điều khiển tự động tỷ số truyền, ASL218 trên máy kéo 44 kW (59 mã lực), bộ truyền T518 trên máy kéo Schutter Super 550 (1965), và hệ thống tại Đại học Munich năm 1988-1989 cho máy kéo 22 kW (Hansel, 1991). Tại Việt Nam, tác giả Viet Duc Bui (2007) nghiên cứu bộ truyền đai thang bản rộng điều khiển tay tỷ số truyền 0,4 đến 2,5 cho máy kéo 9 đến 20 kW. Nguyễn Công Thuật (2014) phát triển hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp thủy lực dùng van đóng ngắt điều chế độ rộng xung (PWM) tác động vào đĩa đai chủ động. Hướng nghiên cứu này chỉ khả thi cho công suất nhỏ dưới 30 mã lực.

  2. Hộp số thủy tĩnh thuần túy (HST): Sử dụng mạch thủy lực kín gồm bơm biến lưu lượng và động cơ thủy lực (Hansel, 1991; Mürrenhoff & Wallentowitz, 1998; Jin, 2018). Mặc dù có tính linh hoạt cao và khả năng phanh không hao mòn, hiệu suất truyền lực của HST thấp do tổn thất rò rỉ và tổn thất nhớt, không phù hợp làm việc kéo dài ở dải tải nặng.

  3. Hộp số nhập dòng công suất: Thường ứng dụng trên máy xúc lật từ dưới 60 kW đến trên 100 kW (Mürrenhoff & Wallentowitz, 1998), gồm một bơm và hai động cơ thủy lực phối hợp hộp số sang số dưới tải nhằm mở rộng dải biến tốc nhưng kết cấu cơ khí phức tạp.

  4. Hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh (HSPNCS): Khung lý thuyết và phân tích dòng năng lượng được phát triển bởi Orshansky & Weseloh (1972), Kirejczyk (1984), Kress (1968), Skirde & Gigling (1996), Chengyan (2010), Renius (1999, 2003, 2005), Renius & Resch (2005), Mangialardi & Mantriota (1999), Shellenberger (1999), Heinz (2010), Alarico (2011). Luận án điểm lại các dòng sản phẩm thực tế:

    • Claas HM-8 (ý tưởng Jarchow 1990): phân nhánh mô men (Torque Split), chia 8 dải vận tốc sang số dưới tải nhờ các ly hợp K1 đến K8, bơm góc lắc ±20 độ với thể tích cực đại 28 cm³/vòng, động cơ cố định 16 cm³/vòng.
    • Fendt Vario Favorit 926 (Hollader, 1996; Skirde & Gigling, 1996): sử dụng nguyên lý phân nhánh vận tốc (Speed Split), cụm máy thủy lực trục nghiêng 45 độ của Sauer Sundstrand có hiệu suất 95%, bơm 65 cm³/vòng và động cơ 117 cm³/vòng. Quá trình truyền công suất chuyển đổi tuyến tính từ 100% thủy lực sang 100% cơ khí khi tốc độ tăng dần.
    • ZF-Matic và ZF-Ecom (Pohlenz, 2002): ứng dụng trên Deutz Fahr Agroton TTV và John Deere 6020, dùng 4 ly hợp đĩa và điều khiển giao tiếp mạng CAN-BUS.
    • John Deere AutoPowr trên serie 7010 công suất 118-129 kW (Renius, 2003): kết hợp 2 máy thủy lực Sauer Danfoss, bơm thể tích cực đại 160 cm³/vòng góc lắc ±45 độ, phối hợp bộ hành tinh phân cấp và 2 vùng vận tốc cơ khí chuyển tự động dưới tải.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Hầu hết công nghệ HSPNCS thương mại hóa áp dụng cho máy kéo công suất lớn hơn 60 kW với cấu trúc nhiều dãy hành tinh và ly hợp điều khiển phức tạp. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán thiết kế cấu hình HSPNCS tối giản (một bộ truyền hành tinh, nhập dòng tại trục ra), phù hợp năng lực chế tạo cơ khí chính xác trong nước để trang bị cho máy kéo 30-50 mã lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng kết hợp phương pháp mô hình hóa mô phỏng số và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên bệ thử.

Khung lý thuyết phân nhánh công suất dựa trên sự kết hợp giữa bộ truyền hành tinh và bộ biến tốc thủy lực (gồm bơm thủy lực biến dung tích $V_P$ và động cơ thủy lực biến dung tích $V_M$). Công suất đầu vào từ động cơ diesel phân tách thành hai nhánh: một nhánh truyền qua cơ cấu cơ khí và một nhánh truyền qua cụm thủy tĩnh. Hai nhánh sau đó được hội tụ tại cơ cấu hành tinh để truyền ra trục thứ cấp. Quá trình điều khiển tỷ số truyền hộp số $i_G$ được thực hiện thông qua việc thay đổi tỷ số truyền của bộ biến tốc thủy lực $i_H$ (bằng cách điều chỉnh góc nghiêng đĩa lắc của bơm hoặc động cơ thủy lực).

Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kỹ thuật:

  • Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động quay và cân bằng năng lượng cơ khí - thủy lực.
  • Xây dựng mô hình toán học cho các phần tử thủy lực cơ bản có tính đến các thông số cản dòng nhớt, dung kháng thủy lực (sự tích lũy thể tích dầu trong ống dẫn nhánh cao áp $V_1$ và nhánh thấp áp $V_2$ dưới tác động của hệ số nén dầu thủy lực $\beta$), cảm kháng thủy lực (quán tính khối lượng chất lỏng trong đường ống), mô men quán tính quy dẫn của các khối lượng quay về trục bơm $J_P$ và trục động cơ thủy lực $J_M$, cùng các hệ số ma sát cản nhớt $b, k_P, k_M$.
  • Công cụ phần mềm: Sử dụng các phần mềm mô phỏng số kỹ thuật chuyên dụng (Matlab/Simulink, Nastran toolbox) để giải các hệ phương trình vi phân phi tuyến bằng các thuật toán giải tích số (phương pháp Runge-Kutta, Euler-Cauchy, Newton). Các khối chức năng chuẩn được huy động gồm: khối tích phân, khối khuếch đại, khối nhân, khối cộng, khối hàm số và khối nội suy đặc tính phi tuyến thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Nghiên cứu sinh trực tiếp thiết kế, chế tạo bệ thử công suất chuyên dụng cho HSPNCS tại phòng thí nghiệm. Bệ thử cho phép khảo sát độc lập các thông số động lực học, đo kiểm hiệu suất và mô phỏng các chế độ phụ tải tương đương tải kéo ngoài đồng.
  • Cấu hình hệ thống thiết bị đo ghi và xử lý số liệu:
Ký hiệu cảm biến / Thiết bị Chức năng đo lường
Cảm biến $C_1$ Đo số vòng quay trục vào hộp số (từ động cơ)
Cảm biến $C_2$ Đo mô men xoắn trên trục truyền lực
Cảm biến $C_3$ Đo số vòng quay trục động cơ thủy lực
Cảm biến $C_4$ Đo số vòng quay trục ra của hộp số
Cảm biến $C_5$ Đo áp suất dầu trong mạch thủy lực kín
Cảm biến $C_6$ Đo lưu lượng dòng dầu tuần hoàn
Card A/D Thu thập và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
Máy tính xử lý số liệu Ghi nhận dữ liệu thời gian thực và trích xuất bảng/đồ thị

Nguồn dữ liệu thực nghiệm:

  • Thông số kỹ thuật động cơ diesel Yanmar YM-3T84 (lắp trên máy kéo Yanmar 3000) được sử dụng làm nguồn số liệu đầu vào chuẩn cho mô hình mô phỏng và thực nghiệm.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ các chế độ thay đổi tỷ số truyền, chế độ tăng tải nhanh và chế độ tăng tải chậm trên bệ thử để đối chứng với kết quả tính toán lý thuyết.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 2: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Phần này phân tích tổng quan về tình hình cơ giới hóa nông nghiệp tại Việt Nam, đặc điểm kết cấu hệ thống truyền lực trên các loại máy kéo đang lưu hành và xu hướng phát triển hộp số máy kéo nông nghiệp trên thế giới.

Luận điểm chính:

  1. Hiện trạng cơ giới hóa máy kéo tại Việt Nam cho thấy dải công suất 30 đến 50 mã lực chiếm vị trí then chốt nhưng 100% sử dụng hộp số cơ khí có cấp. Các hộp số này có từ 6 đến 9 số tiến và 2 đến 4 số lùi, gây va đập khi đổi số và làm việc không tối ưu về mặt nhiên liệu.
  2. Các giải pháp truyền động vô cấp cơ khí (dùng đai biến tốc) chỉ đáp ứng được cho dòng máy kéo nhỏ dưới 20 mã lực. Hệ thống thủy tĩnh thuần túy có hiệu suất thấp, tiêu tốn năng lượng phụ trợ lớn.
  3. Xu hướng thế giới khẳng định HSPNCS là giải pháp ưu việt kết hợp hiệu suất cao của cơ khí và tính điều khiển liên tục của thủy tĩnh, đạt hiệu suất truyền lực 85% đến 90%. Tuy nhiên, các cấu hình thương mại nước ngoài (Claas HM-8, Fendt Vario, ZF-Matic, John Deere AutoPowr) quá phức tạp và giá thành cao. Cần lựa chọn một cấu hình tối giản, phù hợp điều kiện chế tạo tại Việt Nam.

Phần 3: Phương pháp nghiên cứu

Phần này trình bày cơ sở lý thuyết mô hình hóa, các thuật toán mô phỏng và phương pháp thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị thực nghiệm bệ thử.

Nội dung trọng tâm:

  1. Hệ thống hóa các phương pháp mô phỏng kỹ thuật: phân biệt giữa mô phỏng thực nghiệm tỷ lệ 1:1, mô phỏng trên máy tính tương tự (analog) và mô phỏng trên máy tính số (digital). Luận án khẳng định mô phỏng số kết hợp kiểm chứng thực nghiệm trên bệ thử là phương pháp tối ưu về thời gian và chi phí.
  2. Thiết lập mô hình toán học cho mạch truyền động thủy tĩnh mạch hở và mạch kín, mô tả chi tiết phương trình cản dòng chảy, phương trình dung kháng và cảm kháng chất lỏng. Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc mô phỏng các phần tử thủy lực trên phần mềm số.
  3. Thiết kế nguyên lý và chế tạo hoàn chỉnh bệ thử nghiệm HSPNCS trong phòng thí nghiệm. Bố trí các vị trí lắp đặt cảm biến đo số vòng quay ($C_1, C_3, C_4$), cảm biến mô men xoắn ($C_2$), cảm biến áp suất ($C_5$) và cảm biến lưu lượng ($C_6$) kết nối card A/D thu thập dữ liệu phục vụ phân tích sai số và hiệu suất.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu

Phần này chứa toàn bộ các phát hiện lý thuyết, kết quả mô phỏng số và dữ liệu đo đạc thực nghiệm của đề tài, được chia thành hai nội dung nghiên cứu lớn:

Nội dung 1: Nghiên cứu hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh sử dụng cho máy kéo nông nghiệp

Tác giả phân tích và tổng hợp 12 phương án cấu hình HSPNCS (gồm 6 phương án nhập dòng tại trục vào và 6 phương án nhập dòng tại trục ra):

Cấu hình tổng hợp Đặc điểm liên kết các phần tử Nhận định về khả năng áp dụng
Nhập dòng tại trục vào (6 phương án) Nhánh thủy lực nhận công suất từ trục vào, nhánh cơ khí đi qua bộ hành tinh Tỷ số truyền biến thiên rộng nhưng xuất hiện vùng tuần hoàn công suất lớn gây giảm hiệu suất
Nhập dòng tại trục ra (6 phương án) Nhánh cơ khí và thủy lực hội tụ tại trục ra qua bộ truyền hành tinh Hiệu suất cao ở vùng làm việc chính, hạn chế tổn thất tuần hoàn công suất
Cấu hình CRO (lựa chọn) Cần dẫn (Carrier) - Vành răng (Ring) - Trục ra (Output) Kết cấu nhỏ gọn, phù hợp công suất 30-50 mã lực, công suất cơ khí tăng dần theo tốc độ
Cấu hình SRO (so sánh) Bánh răng mặt trời (Sun) - Vành răng (Ring) - Trục ra (Output) Dải tỷ số truyền hẹp hơn phương án CRO

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Khảo sát các đường đặc tính thực nghiệm khi thay đổi tỷ số truyền bộ biến tốc $i_H$ và tỷ số truyền tổng $i_G$. Đo lường quan hệ giữa hiệu suất hộp số $\eta_{HS}$ với mô men động cơ $M_e$, số vòng quay động cơ $n_e$ và thể tích làm việc của động cơ thủy lực $V_M$.
  • Đánh giá sai số giữa mô phỏng lý thuyết và kết quả thực nghiệm: Luận án lập bảng đối chiếu sai số giữa giá trị tính toán lý thuyết và số liệu đo đạc thực tế trên bệ thử ở các chế độ tăng tải nhanh và tăng tải chậm. Sai số nằm trong giới hạn cho phép của các mô hình cơ - thủy lực thực nghiệm, khẳng định độ tin cậy của mô hình số.

Nội dung 2: Nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo nông nghiệp sử dụng hộp số phân nhánh công suất

  • Tác giả xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động dọc của toàn bộ máy kéo tích hợp động cơ diesel Yanmar YM-3T84 (công suất tham chiếu dải 30-50 mã lực), hệ thống truyền lực sử dụng HSPNCS cấu hình CRO, truyền lực chính tỷ số truyền $i_0$, vi sai $i_{vs}$, truyền lực cuối cùng $i_c$ và bánh xe chủ động bán kính $r_B$.
  • Động lực học quá trình khởi hành: Xác định quy luật điều khiển tăng thể tích làm việc của bơm thủy lực $V_P$ từ 0 đến giá trị cực đại $V_{P\max}$ để máy kéo lăn bánh êm dịu, không giật và không gây chết máy động cơ diesel.
  • Động lực học quá trình chuyển số: Khảo sát quá trình biến thiên thể tích động cơ thủy lực $V_M$ dưới các mức tải trọng kéo khác nhau ($F_K = 4905\text{ N}$ và $F_K = 6867\text{ N}$). Khi chuyển số dưới tải, mô men và vận tốc tại bánh xe biến thiên liên tục, không xuất hiện hiện tượng gián đoạn dòng truyền lực.
  • Xây dựng chiến lược điều khiển tỷ số truyền theo đường làm việc tối ưu công suất cực đại (Optimal Operation Line - OOL): Luận án xác định quan hệ giữa điểm làm việc ($M_e, n_e$) với hiệu suất hệ thống truyền lực $\eta_T$, xác định vùng điều khiển tỷ số truyền $i_G$ và $i_H$ tối ưu khi lực kéo $F_K$ dao động mạnh.
  • Đề xuất sơ đồ hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền: Sử dụng bộ điều khiển điện tử (ECU) tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến tốc độ, mô men và áp suất để tự động điều chỉnh cơ cấu chấp hành thủy lực của đĩa nghiêng bơm và động cơ.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án được trình bày cụ thể:

Đóng góp về mặt khoa học:

  1. Tổng hợp và thiết lập cơ sở khoa học cho việc phân tích, so sánh và lựa chọn cấu hình hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh. Luận án đã xác định cấu hình CRO (Carrier - Ring - Output) là cấu hình tối ưu về mặt động học, động lực học và hiệu suất truyền tải để ứng dụng cho máy kéo nông nghiệp công suất 30 đến 50 mã lực.
  2. Xây dựng thành công mô hình toán học và mô hình mô phỏng số hoàn chỉnh cho máy kéo nông nghiệp trang bị HSPNCS. Mô hình mô tả chính xác tương tác giữa động cơ diesel, bộ phân nhánh hành tinh, nhánh thủy lực biến tích và quán tính chuyển động dọc của máy kéo.
  3. Xác định được quy luật biến thiên và vùng điều khiển tỷ số truyền tối ưu theo công suất cực đại của động cơ (đường OOL) khi máy kéo làm việc trong điều kiện tải trọng kéo lớn và dao động không ổn định.

Đóng góp về mặt thực tiễn:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh bệ thử nghiệm HSPNCS trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam. Bệ thử sử dụng các thiết bị đo kiểm và cảm biến sẵn có trên thị trường nội địa, cung cấp phương pháp thực nghiệm khả thi để kiểm chứng mô hình lý thuyết và xác định hiệu suất hộp số.
  2. Đưa ra cấu hình hệ thống truyền lực vô cấp hoàn chỉnh có thể gia công, chế tạo và nội địa hóa dựa trên năng lực công nghệ cơ khí hiện nay tại Việt Nam.
  3. Đề xuất sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền tích hợp bộ điều khiển điện tử (ECU), làm tài liệu tham khảo kỹ thuật trực tiếp cho các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí nông nghiệp trong nước (như VEAM, THACO).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Tiếp tục hoàn thiện thiết kế chi tiết cụm cơ khí hộp số CRO và tích hợp thử nghiệm bộ điều khiển điện tử ECU trực tiếp trên máy kéo thực tế.
  • Kiến nghị các nhà sản xuất máy nông nghiệp trong nước ứng dụng kết quả tính toán của đề tài để phát triển các mẫu máy kéo thế hệ mới có tỷ số truyền vô cấp thay thế máy kéo nhập khẩu cũ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu tập trung vào mô hình chuyển động dọc phẳng trên bệ thử và mô phỏng lý thuyết, chưa mở rộng khảo sát tương tác động lực học không gian phức tạp của máy kéo khi di chuyển trên địa hình đồng ruộng nhấp nhô hoặc nền đất yếu có độ lún trượt thay đổi lớn.
  • Mô hình động cơ diesel trong mô phỏng mới sử dụng các đường đặc tính tốc độ và đặc tính ngoài thực nghiệm tĩnh, chưa tính đến các quá trình chuyển tiếp nhiệt động học phi tuyến tính xảy ra trong buồng cháy của động cơ khi tải kéo đột ngột thay đổi cực lớn.
  • Chưa khảo sát ảnh hưởng truyền công suất đồng thời qua trục trích công suất (TTS) đến các máy công tác chuyên biệt gắn kèm (như dàn phay đất, máy phát điện, bơm nước).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Lắp đặt hộp số phân nhánh công suất hoàn chỉnh lên máy kéo mẫu dải công suất 30 đến 50 mã lực và tiến hành thử nghiệm canh tác trực tiếp trên đồng ruộng lúa nước và đồng màu tại Việt Nam.
  • Mở rộng thuật toán điều khiển của ECU để tích hợp tối ưu hóa đa mục tiêu: vừa tối ưu công suất kéo vừa tối thiểu hóa suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ diesel.
  • Tích hợp chuẩn truyền thông mạng CAN-BUS để đồng bộ hóa điều khiển giữa ECU của động cơ, ECU của hộp số và hệ thống điều khiển thông minh của nông cụ gắn sau.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ rệt đối với các nhóm đối tượng:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Máy nông nghiệp: Có thể tham khảo phương pháp luận mô hình hóa hệ thống cơ - thủy lực phức hợp, phương pháp mô tả toán học dung kháng, cảm kháng thủy lực và kỹ thuật mô phỏng số bằng Simulink/Nastran.
  2. Các kỹ sư thiết kế tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất máy động lực và máy nông nghiệp (như VEAM, THACO, Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch): Tham khảo trực tiếp bản vẽ sơ đồ động lực học cấu hình CRO, các bảng tổng hợp 12 cấu hình nhập dòng và số liệu định cỡ bơm/động cơ thủy lực.
  3. Kỹ sư thực nghiệm cơ khí: Bệ thử công suất do tác giả tự thiết kế và chế tạo cùng hệ thống cảm biến ($C_1$ đến $C_6$) và card A/D là mô hình mẫu chuẩn mực để xây dựng các phòng thí nghiệm thử nghiệm hộp số ô tô, máy kéo trong điều kiện trang thiết bị Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao luận án lại lựa chọn cấu hình CRO (Carrier - Ring - Output) thay vì các cấu hình khác? Trong 12 phương án phân nhánh công suất được khảo sát (6 phương án nhập dòng tại trục vào và 6 phương án nhập dòng tại trục ra), cấu hình nhập dòng tại trục ra theo sơ đồ CRO (cần dẫn nối trục vào, vành răng nối biến tốc thủy lực, trục ra nối bánh răng mặt trời) giúp công suất cơ khí tăng dần theo vận tốc làm việc. Kết cấu này loại bỏ được hiện tượng tuần hoàn công suất gây tổn hao lớn ở vùng tốc độ trung bình và cao, có cấu trúc gọn và phù hợp khả năng chế tạo cơ khí chính xác tại Việt Nam.

  2. Bệ thử nghiệm thực tế do nghiên cứu sinh chế tạo sử dụng các loại cảm biến nào để thu thập dữ liệu? Hệ thống đo lường trên bệ thử nghiệm bao gồm sáu cảm biến chuyên dụng: cảm biến $C_1$ đo số vòng quay trục vào, cảm biến $C_2$ đo mô men xoắn, cảm biến $C_3$ đo số vòng quay động cơ thủy lực, cảm biến $C_4$ đo số vòng quay trục ra, cảm biến $C_5$ đo áp suất dầu mạch kín và cảm biến $C_6$ đo lưu lượng dòng dầu. Toàn bộ tín hiệu được số hóa thông qua card chuyển đổi A/D kết nối trực tiếp với máy tính xử lý.

  3. Động cơ máy kéo nào được sử dụng để lấy thông số kỹ thuật mô phỏng trong luận án? Luận án sử dụng thông số kỹ thuật và đặc tính ngoài của động cơ diesel Yanmar YM-3T84 trang bị trên dòng máy kéo Yanmar 3000 (đây là dòng máy kéo 3 xy lanh đứng phổ biến tại Việt Nam, đại diện cho phân khúc công suất 30 đến 50 mã lực).

  4. Tại sao hệ thống truyền động vô cấp cơ khí dùng đai thang không được lựa chọn cho máy kéo 30-50 mã lực? Các nghiên cứu của Viet Duc Bui (2007) và Nguyễn Công Thuật (2014) chỉ ra rằng bộ biến tốc đai thang hoặc xích chỉ hoạt động tin cậy ở công suất dưới 20 đến 30 mã lực. Ở công suất lớn hơn, bộ truyền đai cồng kềnh, hiện tượng trượt đai gia tăng làm giảm mạnh tuổi thọ và hiệu suất, không chịu được mô men xoắn lớn và tải trọng va đập liên tục trên đồng ruộng.

  5. Chiến lược điều khiển OOL (Optimal Operation Line) đề xuất trong luận án có nguyên lý hoạt động như thế nào? Chiến lược OOL điều khiển tỷ số truyền của hộp số sao cho tại mọi giá trị lực kéo $F_K$ thay đổi của máy kéo, động cơ diesel luôn được duy trì làm việc trên đường đặc tính công suất cực đại hoặc vùng tiêu hao nhiên liệu tối ưu. Khi khởi hành, hệ thống điều khiển tăng thể tích bơm $V_P$; khi chuyển số và thay đổi tải kéo, hệ thống tự động điều chỉnh thể tích động cơ thủy lực $V_M$ thông qua tín hiệu áp suất và tốc độ do ECU xử lý.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Duy Súy đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ sở khoa học và thực nghiệm cho hệ thống truyền động vô cấp sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh trên máy kéo nông nghiệp dải công suất 30 đến 50 mã lực tại Việt Nam. Bằng việc đề xuất cấu hình CRO tối giản kết hợp xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động dọc và kiểm chứng thành công trên bệ thử thực tế, công trình đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu suất truyền lực đạt từ 85% đến 90%. Đây là tài liệu khoa học có độ tin cậy cao, tạo tiền đề công nghệ quan trọng cho việc nghiên cứu chế tạo và nội địa hóa hộp số vô cấp trên máy kéo nông nghiệp trong nước.