Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong cơ giới hóa nông nghiệp, máy kéo giữ vai trò là nguồn động lực chính phục vụ các khâu canh tác như làm đất, gieo trồng, chăm sóc và vận chuyển. Hộp số máy kéo có nhiệm vụ biến đổi mô men và số vòng quay của động cơ phù hợp với tải trọng làm việc luôn thay đổi trên đồng ruộng. Tại Việt Nam, nhóm máy kéo có dải công suất từ 30 đến 50 mã lực (HP) phù hợp nhất với quy mô ruộng đất canh tác và điều kiện kinh tế của nông hộ. Tuy nhiên, toàn bộ các dòng máy kéo trong dải công suất này đang lưu hành (nhập khẩu từ Nhật Bản, Trung Quốc, Liên Xô cũ hoặc lắp ráp trong nước) đều sử dụng hệ thống truyền lực phân cấp cơ khí với 6 đến 9 số tiến và 2 đến 4 số lùi.

Hệ thống truyền động cơ khí phân cấp tồn tại nhược điểm lớn: phải ngắt dòng lực khi sang số gây va đập, khó duy trì chế độ làm việc tối ưu của động cơ khi tải trọng thay đổi liên tục. Các giải pháp cải tiến truyền thống như tăng số cấp số (lên đến 48 số tiến, 24 số lùi) hoặc sang số dưới tải làm kết cấu phức tạp, chi phí sản xuất tăng cao, không thích hợp cho máy kéo cỡ nhỏ và trung bình. Truyền động vô cấp cơ khí (dây đai thang biến tốc, xích kim loại) chỉ áp dụng hiệu quả cho máy kéo dưới 20 mã lực. Truyền động thủy tĩnh thuần túy lại có hiệu suất truyền động thấp.

Giải pháp tối ưu trên thế giới là sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh (Hydrostatic Power Split Transmission - HSPNCS), kết hợp khả năng điều khiển vô cấp của nhánh thủy lực và hiệu suất cao của nhánh cơ khí (đạt 85% - 90%). Dù vậy, các hệ thống HSPNCS thương mại hóa trên thế giới chỉ mới trang bị cho máy kéo công suất lớn (trên 60 kW / trên 80 mã lực) với công nghệ độc quyền, khó tiếp cận. Do đó, việc nghiên cứu phát triển HSPNCS phù hợp với điều kiện chế tạo, vận hành của máy kéo công suất 30 đến 50 mã lực tại Việt Nam là một đòi hỏi cấp thiết từ thực tiễn sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu

  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:
    • Xác định cấu hình của HSPNCS phù hợp với máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực;
    • Xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của HSPNCS và thí nghiệm để kiểm chứng, đánh giá độ tin cậy của mô hình;
    • 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 và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh ứng dụng trên máy kéo nông nghiệp công suất 30 đến 50 mã lực.
  • Phạm vi không gian:
    • Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực hiện tại Bộ môn Động lực - Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
    • Thiết kế, chế tạo bệ thử và thí nghiệm thực nghiệm thực hiện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực - Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
  • Phạm vi thời gian:
    • Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng: từ tháng 06/2017 đến tháng 08/2020.
    • Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thực nghiệm: từ tháng 01/2019 đến tháng 02/2020.
  • Giới hạn nghiên cứu: Luận án tập trung khảo sát tính chất truyền động và điều khiển của HSPNCS trong các chế độ làm việc điển hình gồm khởi hành, chuyển số và thay đổi tải trọng kéo. Chưa xét chi tiết các yếu tố liên quan đến đặc tính động lực học của động cơ diesel thực địa, biến dạng lốp máy kéo, nền đất đồng ruộng và chế độ làm việc riêng biệt của từng loại máy công tác đi kèm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế

Hệ thống truyền lực máy kéo đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển nhằm tối ưu hóa khả năng sử dụng công suất động cơ:

Hướng nghiên cứu / Công nghệ Tác giả, công trình tiêu biểu Đặc điểm và kết quả chính được văn bản ghi nhận
Thực trạng máy kéo & truyền động tại Việt Nam Quyết định 02/2008/QĐ-BCT, Quyết định 1342/QĐ-TTg (Thủ tướng Chính phủ, 2014); Nguyễn Công Thuật (2014); THACO; VEAM Cả nước có khoảng 600.000 máy kéo, trang bị động lực đạt 1,6 HP/ha (sản xuất lúa đạt 2,2 HP/ha). Máy kéo đẩy tay BS12, BS16,5 và máy kéo 4 bánh 24 mã lực của VEAM đều dùng hộp số phân cấp (6 tiến, 2 lùi). THACO chuyển giao mẫu máy kéo 30-50 HP từ Hàn Quốc vẫn dùng truyền động cơ khí phân cấp.
Truyền động vô cấp cơ khí Kirste (1989); Hansel (1991); Viet Duc Bui (2007); Nguyễn Công Thuật (2014) Ứng dụng từ năm 1957 trên máy kéo MAN A25 với bộ biến tốc đai thang ZF-P.ASL8 Reimers (18 kW, dải 1÷4). Các thế hệ ASL210, ASL218 (44 kW), T518 (1965) mở rộng dải vô cấp bằng hộp số cơ khí phân tầng. Tại Việt Nam, Bùi Việt Đức nghiên cứu biến tốc đai thang (0,4÷2,5) cho máy kéo 9-20 kW; Nguyễn Công Thuật phát triển điều khiển vị trí van xung PWM cho bộ biến tốc đai.
Truyền động thủy tĩnh thuần túy & Nhập dòng Hansel (1991); Mürrenhoff & Wallentowitz (1998); Jin (2018) Mạch thủy lực kín gồm bơm điều chỉnh lưu lượng và động cơ thủy lực, tích hợp van an toàn, van xả, bơm phụ. Ứng dụng trên máy xúc lật và xe chuyên dụng; phân nhánh điều khiển thủy lực - điện tử nhằm tối ưu tiêu thụ nhiên liệu. Nhược điểm chính là hiệu suất thấp.
Truyền động phân nhánh công suất thủy tĩnh (HSPNCS) Orshansky & Weseloh (1972); Kirejczyk (1984); Chengyan (2010); Heinz (2010); Bùi Hải Triều (2006) Tách công suất động cơ thành nhánh cơ khí (công suất lớn, hiệu suất cao) và nhánh thủy lực (công suất nhỏ, điều khiển vô cấp). Phân tích hiện tượng tuần hoàn công suất làm giảm hiệu suất khi đảo chiều hoặc thay đổi góc lắc đĩa nghiêng quá giới hạn.
Các dòng HSPNCS thương mại hóa trên thế giới Alarico (2011) / Jarchow (1990); Hollader (1996), Skirde & Gigling (1996); Renius (1999, 2003, 2005); Pohlenz (2002); Lenge (2001) - Claas HM-8: Phân nhánh mô men (Torque Split), bơm góc lắc ±20° ($V_{P\max}=28\text{ cm}^3/\text{vòng}$), động cơ cố định $V_M=16\text{ cm}^3/\text{vòng}$, 8 dãy vận tốc với ly hợp K1-K8.
- Fendt Vario (Favorit 926): Phân nhánh vận tốc (Speed Split), máy trục nghiêng Sauer Sundstrand 45° (hiệu suất 95%), bơm $65\text{ cm}^3/\text{vòng}$, động cơ $117\text{ cm}^3/\text{vòng}$, công suất thủy lực chuyển dịch tuyến tính về cơ khí.
- ZF-Matic & ZF-Ecom: Dùng ly hợp đĩa, phanh đĩa trong bộ hành tinh đa cấp, giao tiếp CAN-BUS.
- JD AutoPowr (John Deere 7010): Công suất 118-129 kW, bơm Sauer Danfoss $V_{P\max}=160\text{ cm}^3/\text{vòng}$, kết hợp 2 dãy vận tốc cơ khí chuyển số dưới tải.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình quốc tế về HSPNCS tập trung chủ yếu vào dòng máy kéo công suất lớn trên 60 kW với cấu trúc cơ khí nhiều dãy tỉ số truyền và hệ thống thủy lực phức tạp. Tại Việt Nam, các nghiên cứu vô cấp mới dừng ở bộ truyền đai thang trên máy kéo dưới 20 kW. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: Xác lập cơ sở khoa học, lựa chọn cấu hình hành tinh tối ưu, xây dựng mô hình tính toán - mô phỏng và chế tạo bệ thử thực nghiệm để làm chủ nguyên lý, đánh giá hiệu suất và xác định chiến lược điều khiển tỉ số truyền cho hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh trên máy kéo công suất 30 đến 50 mã lực trong điều kiện kỹ thuật Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Nguyên lý phân nhánh công suất: Dòng năng lượng từ động cơ đốt trong ($P_e$) được phân thành hai nhánh song song qua bộ truyền hành tinh: nhánh cơ khí truyền trực tiếp với hiệu suất cao và nhánh thủy tĩnh gồm bơm - động cơ thủy lực để biến đổi vô cấp tỉ số truyền.
  • Cấu hình phân nhánh và nhập dòng: Luận án khảo sát 6 phương án nhập dòng tại trục vào và 6 phương án nhập dòng tại trục ra. Cấu hình được lựa chọn để nghiên cứu chuyên sâu là CRO (Carrier - Ring - Output), trong đó cần dẫn (Carrier) nối với trục vào nhận công suất động cơ, vành răng (Ring) nối với nhánh thủy lực, và trục ra (Output) nhận công suất tổng hợp từ bánh răng mặt trời (Sun).
  • Hiện tượng tuần hoàn công suất: Trạng thái mà một phần công suất ở trục ra bị dẫn ngược lại nhánh thủy lực qua bộ truyền hành tinh, khiến tải trọng trên bánh răng mặt trời vượt quá 100% công suất vào, làm giảm hiệu suất toàn hệ thống.
  • Mô hình động lực học chuyển động dọc của máy kéo: Xây dựng trên các phương trình vi phân cân bằng lực kéo tiếp tuyến, lực cản chuyển động, quán tính khối lượng tịnh tiến và quán tính quy dẫn của các phần tử quay ($J_P, J_M$).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng thời phương pháp mô hình hóa - mô phỏng số và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên bệ thử:

  1. Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số:

    • Sử dụng phần mềm mô phỏng số chuyên dụng (Matlab/Simulink với các Toolbox chuyên ngành và phần mềm phân tích CAE/Nastran).
    • Thiết lập mô hình toán mô tả tính chất cản nhớt ($k_P, k_M, b$), dung kháng, cảm kháng thủy lực, độ đàn hồi và hệ số nén ($\beta$) của dầu thủy lực trong nhánh cao áp ($V_1$) và nhánh thấp áp ($V_2$).
    • Sử dụng các giải thuật số (Runge-Kutta, Euler-Cauchy, phương pháp Newton) để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả quá trình khởi hành, chuyển số và thay đổi tải trọng.

  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

    • Thiết kế và chế tạo bệ thử công suất hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực.
    • Bố trí hệ thống tạo tải thủy lực độc lập để mô phỏng chính xác mô men cản và lực kéo biến thiên của máy kéo.
    • Sử dụng hệ thống cảm biến và khối thu thập số liệu tự động để ghi nhận dữ liệu theo thời gian thực (Worksheet).

Nguồn tư liệu và thông số đo kiểm

Ký hiệu thiết bị / Thông số Đại lượng đo / Tên thông số kỹ thuật Đơn vị tính
Cảm biến $C_1, C_3, C_4$ Cảm biến đo số vòng quay các trục (trục động cơ $n_e$, trục bơm, trục ra $n_M$) vòng/phút
Cảm biến $C_2$ Cảm biến đo mô men xoắn trục vào ($M_e$) và trục ra Nm
Cảm biến $C_5$ Cảm biến đo áp suất mạch thủy lực cao áp và thấp áp bar / MPa
Cảm biến $C_6$ Cảm biến đo lưu lượng dầu thủy lực trong mạch lít/phút
Card A/D Card biến đổi tín hiệu tương tự sang số kết nối máy tính -
Động cơ thử nghiệm Động cơ diesel YM-3T84 (trên máy kéo Yanmar 3000) 3 xy lanh
Thông số thủy lực Thể tích riêng cực đại của bơm ($V_{P\max}$) và động cơ ($V_{M\max} = 37\text{ cm}^3/\text{vòng}$, $V_M = 4\text{ cm}^3/\text{vòng}$) $\text{cm}^3/\text{vòng}$
Tải trọng thử nghiệm Lực kéo đặt trước ($F_k = 4905\text{ N}$ và $F_k = 6867\text{ N}$) N

Nội dung chính theo từng chương

Phần 2: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

  • Phân tích bối cảnh cơ giới hóa: Đánh giá thực trạng sử dụng máy kéo tại Việt Nam với diện tích đất canh tác manh mún (trung bình 0,44 ha/hộ, 85% thửa ruộng dưới 0,5 ha). Máy kéo nhập khẩu chiếm 70% (trong đó 50% là máy cũ), máy sản xuất trong nước chiếm 30% (chủ yếu là máy kéo 2 bánh 12-18 HP và máy kéo 4 bánh 24 HP).
  • Phân tích kết cấu truyền lực hiện hữu: Khảo sát hệ thống truyền lực phân cấp của máy kéo đẩy tay BS12, BS16,5 và máy kéo 4 bánh 24 HP của VEAM. Đánh giá hạn chế của ly hợp ma sát khô và hộp số cơ khí 6-9 cấp số khi làm việc với các khâu phụ tải nặng như làm đất (đạt tỉ lệ cơ giới hóa 85,21% trên lúa).
  • Tổng kết các dòng hộp số vô cấp: Khảo sát chi tiết cấu trúc các hộp số cơ khí vô cấp (MAN A25, ASL210, ASL218, T518, máy kéo Bùi Việt Đức, Nguyễn Công Thuật), hộp số thủy tĩnh trên xe chuyên dụng (máy xúc lật) và 4 dòng HSPNCS hiện đại trên thế giới (Claas HM-8, Fendt Vario Favorit 926, ZF-Matic/ZF-Ecom, John Deere AutoPowr).
  • Định hướng lựa chọn: Xác định nguyên lý phân nhánh vận tốc kiểu Fendt Vario có tính ưu việt cao nhờ tỉ lệ truyền công suất từ thủy lực sang cơ khí thay đổi tuyến tính, ít chi tiết chuyển mạch, phù hợp để thu nhỏ cho dải công suất 30 đến 50 mã lực.

Phần 3: Phương pháp nghiên cứu

  • Mô hình hóa phần tử thủy lực và cơ khí: Thiết lập sơ đồ khối chức năng (tích phân, khuếch đại, hàm phi tuyến, nội suy đặc tính thực nghiệm) trong môi trường mô phỏng số. Xây dựng phương trình trạng thái áp suất và lưu lượng cho mạch thủy lực hở và mạch thủy lực kín có van an toàn, van bù áp.
  • Xây dựng phương trình vi phân hệ thống: Thiết lập quan hệ cân bằng mô men trên trục hành tinh, phương trình nén dầu thủy lực: $$\frac{dp}{dt} = \frac{1}{\beta \cdot V} \left( \sum Q_{in} - \sum Q_{out} \right)$$ kết hợp mô men quán tính quy dẫn $J_P$ (trục bơm) và $J_M$ (trục thứ cấp đến bánh xe chủ động).
  • Thiết kế và xây dựng bệ thử thực nghiệm: Thiết kế nguyên lý và chế tạo hệ thống bệ thử công suất hoàn chỉnh gồm: động cơ dẫn động, hộp số HSPNCS thử nghiệm, mạch thủy lực bệ thử tạo tải, cụm cảm biến $C_1 \div C_6$, Card A/D và phần mềm thu thập dữ liệu chuyên dụng. Xây dựng quy trình thực nghiệm đánh giá hiệu suất tĩnh và động học chuyển số.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu

Nội dung chương Kết quả nghiên cứu được chia làm hai mảng lớn:

1. Nghiên cứu HSPNCS thủy tĩnh sử dụng cho máy kéo nông nghiệp

  • Lựa chọn cấu hình: Phân tích ma trận 12 cấu hình phân nhánh công suất (6 phương án nhập dòng trục vào, 6 phương án nhập dòng trục ra). Luận án xác định cấu hình CRO là phương án tối ưu nhất cho dải công suất 30-50 HP do có dải biến thiên tỉ số truyền rộng, hiệu suất cao và tránh được vùng tuần hoàn công suất nguy hiểm ở chế độ tải nặng.
  • Kết quả mô phỏng: Xác lập đặc tính biến thiên tỉ số truyền hộp số $i_G$ theo tỉ số truyền bộ biến tốc thủy lực $i_H$. Mô phỏng quan hệ giữa hiệu suất hộp số $\eta_{HS}$ với mô men động cơ $M_e$, số vòng quay $n_e$ và thể tích riêng của động cơ thủy lực $V_M$.
  • Kết quả thực nghiệm trên bệ thử: Đánh giá hiệu suất hộp số $\eta_{HS}$ khi thay đổi tỉ số truyền và phụ tải ở hai mức tốc độ (nhanh và chậm). So sánh giữa số liệu đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết cho thấy sai số nhỏ, khẳng định độ tin cậy của mô hình mô phỏng.

2. Nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo sử dụng HSPNCS

  • Xác lập kết cấu HTTL máy kéo: Ghép nối HSPNCS cấu hình CRO với động cơ diesel YM-3T84, bộ truyền lực chính $i_0$, vi sai $i_{vs}$, truyền lực phân tầng $i_p$ và truyền lực cuối cùng $i_c$.
  • Mô phỏng các chế độ động lực học chuyển động:
    • Quá trình khởi hành: Điều khiển thể tích bơm $V_P$ tăng dần từ 0 đến $V_{P\max}$, kiểm soát mô men $M_e$, số vòng quay $n_e$, số vòng quay trục ra $n_M$ và vận tốc chuyển động của máy kéo tăng êm dịu, không giật cục.
    • Quá trình chuyển số / thay đổi tỉ số truyền: Khảo sát diễn biến động lực học khi điều khiển thể tích $V_M$ giảm từ $V_{M\max} = 37\text{ cm}^3/\text{vòng}$ xuống $V_M = 4\text{ cm}^3/\text{vòng}$ dưới hai cấp lực kéo cản $F_k = 4905\text{ N}$ và $F_k = 6867\text{ N}$.
    • Quá trình thay đổi lực kéo: Khảo sát các điểm làm việc của động cơ ($M_e, n_e$) và hiệu suất truyền lực $\eta_T$ khi lực kéo $F_k$ biến động đột ngột.
  • Xây dựng chiến lược điều khiển tối ưu: Xác định đường làm việc tối ưu (Optimal Operation Line - OOL) của động cơ diesel theo tiêu chí cực đại hóa công suất và cực tiểu hóa tiêu hao nhiên liệu. Đề xuất sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử (Electronic Control Unit - ECU) tự động điều chỉnh góc nghiêng đĩa lắc của bơm/động cơ thủy lực dựa trên tín hiệu tốc độ và mô men tải.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học lý luận

  • Tổng hợp và hệ thống hóa cơ sở khoa học về lựa chọn cấu hình, định cỡ thông số hình học và thủy lực cho hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh ứng dụng chuyên biệt trên máy kéo nông nghiệp cỡ công suất nhỏ và trung bình (30 đến 50 mã lực).
  • Thiết lập thành công mô hình toán học và mô hình mô phỏng số hoàn chỉnh mô tả tương tác động lực học giữa động cơ diesel, hộp số HSPNCS (cấu hình CRO) và chuyển động dọc của máy kéo nông nghiệp trong các chế độ làm việc chuyển tiếp (khởi hành, sang số, chịu tải nặng).
  • Xác định quy luật biến thiên tỉ số truyền tối ưu và vùng điều khiển hiệu suất cao của HSPNCS, làm tiền đề lý thuyết cho việc xây dựng thuật toán điều khiển tự động hệ thống truyền lực vô cấp trên máy kéo.

Đóng góp mới về mặt kỹ thuật và thực tiễn

  • Lựa chọn và tính toán hoàn chỉnh cấu hình kết cấu HSPNCS kiểu CRO tương thích với các cụm chi tiết cơ khí và thiết bị thủy lực hiện có tại Việt Nam, mở ra khả năng thiết kế chế tạo thực tế.
  • Thiết kế, chế tạo thành công bệ thử công suất thực nghiệm HSPNCS cùng quy trình đo kiểm, xử lý tín hiệu tự động bằng hệ thống cảm biến chuyên dụng, đáp ứng yêu cầu kiểm chứng mô hình lý thuyết trong điều kiện trang thiết bị trong nước.
  • Đề xuất giải pháp và sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động điều khiển tỉ số truyền (ECU) tích hợp thuật toán bám đường đặc tính tối ưu OOL, giúp khai thác tối đa công suất động cơ khi máy kéo hoạt động ở các chế độ tải nặng và không ổn định trên đồng ruộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Phạm vi mô hình hóa: Mô hình mô phỏng và tính toán lý thuyết chưa tích hợp đầy đủ đặc tính tương tác phi tuyến giữa bánh xe chủ động với các loại nền đất nông nghiệp đặc thù ở Việt Nam (đất lúa nước, đất bãi màu).
  • Giới hạn thực nghiệm: Do điều kiện chế tạo, các khảo sát thực nghiệm đánh giá hiệu suất và kiểm chứng mô hình mới được thực hiện trên bệ thử tĩnh trong phòng thí nghiệm; chưa tiến hành thử nghiệm toàn diện trên máy kéo nguyên mẫu hoạt động trực tiếp ngoài đồng ruộng.
  • Yếu tố ảnh hưởng chưa xét: Chưa xét đến sự ảnh hưởng đồng thời của các dao động phụ tải ngẫu nhiên sinh ra từ các loại máy nông nghiệp công tác gắn sau máy kéo (dàn cày, dàn xới, máy cắt rạ).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện thuật toán điều khiển nhúng trên bộ điều khiển ECU thực tế và chế tạo cụm hộp số HSPNCS hoàn chỉnh để lắp đặt thử nghiệm trực tiếp trên máy kéo 4 bánh công suất 30-50 HP.
  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm đồng ruộng nhằm đánh giá chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (năng suất cày xới, mức tiêu thụ nhiên liệu riêng) trong điều kiện canh tác thực tế tại các vùng sinh thái nông nghiệp Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Động lực, Máy nông nghiệp có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp mô hình hóa hệ thống cơ điện tử - thủy khí phức hợp và thiết kế bệ thử thực nghiệm.
  • Các kỹ sư thiết kế, cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất máy kéo: (như THACO, VEAM) có cơ sở dữ liệu kỹ thuật, sơ đồ cấu hình kết cấu và phương pháp định cỡ phần tử để phục vụ thiết kế, nội địa hóa dòng máy kéo vô cấp 30 - 50 HP.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách cơ giới hóa nông nghiệp: Có thêm căn cứ khoa học và công nghệ phục vụ định hướng phát triển công nghiệp chế tạo máy nông nghiệp theo Quyết định 02/2008/QĐ-BCT và Quyết định 1342/QĐ-TTg.

Các nội dung có giá trị tham khảo cốt lõi

  • Phương pháp phân tích ma trận 12 phương án phân nhánh - nhập dòng của bộ truyền hành tinh kết hợp biến tốc thủy lực.
  • Quy trình xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động lực học hệ thống truyền lực phi tuyến trên phần mềm máy tính.
  • Bản vẽ nguyên lý, sơ đồ bố trí cảm biến và kỹ thuật tạo tải trên bệ thử công suất hộp số trong phòng thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án chọn dải công suất 30 đến 50 mã lực để nghiên cứu ứng dụng HSPNCS?

Theo số liệu thống kê và quy hoạch phát triển cơ giới hóa tại Việt Nam (Quyết định 02/2008/QĐ-BCT và Quyết định 1342/QĐ-TTg), dải công suất 30 đến 50 mã lực phù hợp nhất với điều kiện ruộng đất quy mô nhỏ (trung bình 0,44 ha/hộ) và khả năng đầu tư của nông dân. Tuy nhiên, toàn bộ máy kéo trong dải công suất này ở Việt Nam đều dùng hộp số cơ khí phân cấp, trong khi các sản phẩm HSPNCS thương mại trên thế giới chỉ trang bị cho máy kéo lớn trên 60 kW (trên 80 mã lực).

2. Cấu hình phân nhánh công suất nào được luận án lựa chọn và có đặc điểm kết cấu ra sao?

Luận án lựa chọn cấu hình CRO (Carrier - Ring - Output). Trong cấu hình này, cần dẫn (Carrier) của bộ truyền hành tinh nhận công suất vào từ trục động cơ diesel, vành răng (Ring) kết nối với nhánh biến tốc thủy lực (bơm và động cơ thủy lực), còn trục ra (Output) nhận công suất tổng hợp dẫn động từ bánh răng mặt trời (Sun) tới hệ thống bánh xe chủ động. Cấu hình này giúp dải tỉ số truyền biến thiên êm dịu và đạt hiệu suất cao trong vùng làm việc chính.

3. Hiện tượng tuần hoàn công suất trong HSPNCS là gì và gây ảnh hưởng như thế nào?

Hiện tượng tuần hoàn công suất xảy ra khi góc lắc của đĩa nghiêng động cơ thủy lực điều khiển vượt qua điểm 0 (động cơ chuyển sang chế độ bơm dẫn động ngược lại từ trục thứ cấp). Lúc này, một phần công suất ở trục ra bị dẫn vòng ngược trở lại nhánh thủy lực qua bộ truyền hành tinh, làm tải trọng tác dụng lên trục bánh răng mặt trời vượt quá 100% công suất động cơ đưa vào, dẫn đến gia tăng tổn hao nhiệt và làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất truyền động của hộp số.

4. Động cơ diesel và các thông số tải trọng nào được sử dụng trong mô hình mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm?

Trong mô hình mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm, luận án sử dụng bộ thông số của động cơ diesel 3 xy lanh YM-3T84 (trang bị trên máy kéo Yanmar 3000). Thể tích riêng cực đại của động cơ thủy lực khảo sát là $V_{M\max} = 37\text{ cm}^3/\text{vòng}$, thể tích điều khiển cực tiểu là $V_M = 4\text{ cm}^3/\text{vòng}$. Các chế độ tải trọng kéo được thiết lập trên mô hình và bệ thử tương ứng với hai mức lực kéo cản là $F_k = 4905\text{ N}$ và $F_k = 6867\text{ N}$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết thành công bài toán xác lập cơ sở khoa học và kỹ thuật cho hệ thống truyền động vô cấp sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh (HSPNCS) trên máy kéo nông nghiệp cỡ công suất 30 đến 50 mã lực phù hợp với điều kiện Việt Nam. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa mô phỏng số và thực nghiệm trên bệ thử công suất tự chế tạo, công trình đã xác định được cấu hình tối ưu CRO, chứng minh độ tin cậy của mô hình động lực học và đề xuất chiến lược điều khiển tỉ số truyền tự động theo đường tối ưu công suất OOL. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo giá trị cho công tác đào tạo, nghiên cứu và phát triển sản phẩm truyền động vô cấp của ngành công nghiệp chế tạo máy nông nghiệp trong nước.