Tài liệu Khảo sát tính chất kéo bám của máy kéo bông sen 20 khi thay thế hệ thống di động bánh bằng hệ thống

Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Trong quá trình phát triển công nghiệp hoá, không có nước nào có thể bỏ qua công nghiệp hoá nông nghiệp và nông thôn. Lịch sử phát triển kinh tế thế giới cũng đã chứng tỏ sự tác động qua lại giữa tiến bộ nông nghiệp và công nghiệp hoá đã thể hiện nông nghiệp là yếu tố cất cánh nền kinh tế các nước kém phát triển và các nước này quá trình công nghiệp hoá luôn được tiến hành từ sự phát triển nông nghiêp. Gia tăng sản xuất nông nghiệp là nguyên nhân thúc đẩy công nghiệp hoá. Ngược lại nền nông nghiệp lạc hậu, kém phát triển lại trở thành nhân tố cản trở , kìm hãm công nghiệp vươn lên. Vào những thập kỷ tới đất nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá để không ngừng tăng trưởng kinh tế trong đó việc thúc đẩy sự phát triển công nghiệp hoá nông nghiệp và nông thôn sẽ là một trong những nhiệm vụ trọng tâm. Để thự hiện mục đích trên chúng ta cần nghiên cứu để tìm ra phương pháp, bước đi, các giải pháp khoa học công nghệ, một số biện pháp kinh tế xã hội cho phù hợp với từng thời kỳ, từng giai đoạn và từng khu vực. Đây là vấn đề đang được Đảng, nhà nước và các ngành các cấp có liên quan tập trung giải quyết. Trong những năm gần đây có sự tham gia trở lại của cơ khí nông nghiệp đã đóng góp một phần không nhỏ vào sự tăng trưởng của sản xuất nông nghiệp và phát triển nông thôn. Các liên hợp máy kéo lớn hoạt động có hiệu quả trên diện tích đất canh tác lớn, các liên hợp máy kéo trung bình và nhỏ thích hợp trên diện tích đất canh tác vừa và nhỏ. Thực tế cho thấy các liên hợp máy kéo vừa và nhỏ thích hợp với việc sản xuất nông nghiệp ở nước ta. Các liên hợp máy đó được sản xuất trong nước ở các nhà máy cơ khí nông nghiệp Hà Tây kết hợp với nhà máy cơ khí Trần Hưng Đạo và nhà máy điezen Sông Công và một số nhà máy địa phương khác. Ngày nay, công ty chế tạo động cơ (viết tắt là VIKYNO), công ty điezen Sông Công ở miền Bắc (viết tắt la DISOCO), đã có nhiều tiến bộ trong việc 1 Đồ án tốt nghiệp thay đổi chủng loại, nâng cao chất lương, phát triển số lượng và đã bước đầu đã có xuất khẩu sang các nước trong khu vực đó là điều đáng mừng của ngành chế tạo máy kéo ở Việt Nam. Nhưng chất lượng chưa thể bằng được với các nước tiên tiến trên thế giới. Gần đây loại máy kéo công suất vừa và nhỏ (BS 8, BS 12, BS 20…) đã được sử dụng nhưng hiệu quả chưa cao. Để có thể sử dụng có hiệu quả máy cần phải nghiên cứu kỹ tính năng sử dụng của nó. Trong đó tính năng kéo và tính năng động lực học của máy kéo ảnh hưởng rất lớn đến năng suất của liên hợp máy kéo, tính năng kéo phụ thuộc rất lớn vào khả năng bám của bộ phận di động với mặt đất. Do vậy việc nghiên cứu và tìm hiểu tính năng này là một trong những nhiệm vụ cơ bản bộ môn động lực học chuyển động của ô tô máy kéo. Do vậy cần có những nghiên cứu đánh giá loại máy này để khai thác và sử dụng có hiệu quả hơn, em đã nhận và thực hiện đề tài “Khảo sát tính chất kéo bám của máy kéo Bông Sen 20 khi thay thế hệ thống di động bánh bằng hệ thống di động xích” Hà nội tháng 5, năm 2010 Sinh viên thực hiện 2 Đồ án tốt nghiệp Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặc điểm địa hình của nước ta Điều kiện sản xuất nông nghiệp ở nước ta có những đặc thù riêng, trước hết là địa hình ở các vùng khác nhau.Đồng bằng Nam bộ diện tích đất canh tác rộng và dễ dàng cho việc thực hiện cơ giới hoá nông nghiệp bằng những loại máy kéo lớn. Nhưng ở đồng bằng Bắc bộ , vùng núi phía bắc và duyên hải miền trung thì diện tích đất canh tác ít thửa ruộng và được chia nhỏ. Do đó khó đưa các loại máy kéo lớn vào sản xuất mà thường dùng loại máy kéo nhỏ có công suất từ 12-30 mã lực do Việt Nam , Trung Quốc và Nhật Bản sản xuất, đồng ruộng phân bố vụn vặt với kích thước lô thửa thường nhỏ và không vuông vắn, mặt đồng ruộng không bằng phẳng, đường xá đi lại khó khăn, thậm chí có nhiều khu không có lối cho máy vào. Đặc điểm lớn thứ hai là cơ cấu cây trồng rất đa dạng với các yêu cầu về cơ giới hoá cũng rất khác nhau, tính quy hoạch đồng ruộng còn thấp, cùng một khu hoặc ngay trên cùng một lô có thể trồng nhiều loại cây trồng khác nhau. Máy kéo là nguồn động lực chính để thực hiện các khâu công nghệ sản xuất nông lâm nghiệp, phải hoại động trong những điều kiện rất khó khăn phức tạp, đặc biệt là máy kéo lâm nghiệp vì hầu hết các vùng đất lâm nghiệp thường có độ dốc cao và chưa được cải tạo. Do vậy đòi hỏi các máy kéo dùng trong lâm nghiệp nói riêng, sản xuất nói chung phải có tính ổn định cao, có tính năng kéo bám tốt. Ở nước ta, một mặt do nền công nghiệp chế tạo máy nói chung và chế tạo máy kéo nói riêng chưa phát triển, mặt khác do khả năng về vốn đầu tư còn hạn chế nên việc cải tiến các máy kéo nông nghiệp còn thấp. Tuy nhiên, với các công việc đòi hỏi các máy kéo có công suất lớn và tính ổn định cao phải sử dụng các máy chuyên dùng. 3 Đồ án tốt nghiệp 1.2. Vài nét về tình hình phát triển máy kéo trên thế giới Hiệu quả sử dụng các liên hợp máy kéo phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, có thế chia thành 3 nhóm chinh: các yếu tố về điều kiện sử dụng, về tính năng kỹ thuật của máy kéo và tồ chức sử dụng máy. Giữa các yếu tố này có mối quan hệ, phụ thuộc và ảnh hưởng lẫn nhau, có thể hỗ trợ cho nhau hoặc kìm hãm nhau. Do vậy việc nghiên cứu hoàn thiện kết cấu và tổ chức sử dụng có hiệu quả các liên hợp máy kéo là nhiệm vụ trọng tâm nhất và cũng là nhiệm vụ khó khăn nhất trong công cuộc cơ giới hoá nông nghiệp. Cũng chính vì vậy nhiều cơ quan nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới đã đầu tư rất lớn vào nghiên cứu giải quyết vấn đề trên, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển. Máy kéo thuộc loại máy có cấu tạo phức tạp, có nhiều chi tiết đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao. Do đó công việc thiết kế chế tạo máy kéo là công việc phức tạp đòi hỏi đầu tư cao về kỹ thuật công nghệ chế tạo và thiết bị máy móc hiện đại. Đứng đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản, Mỹ, Đức, Nga. Ở các nước chậm phát triển hoặc đang phát triển việc trang bị một số hệ thống máy kéo cho quốc gia của mình chủ yếu theo hướng nhập khẩu. Tuy nhiên do hạn chế về vốn, để tiết kiệm vốn và để kích thích, tạo điều kiện cho công nghiệp trong nước phát triển, nhiều nước đang phát triển cũng đã hình thành và phát triển ngành chế tạo máy kéo. 1.3. Tình hình phát triển máy kéo ở Việt Nam 1.3.1. Tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy kéo ở Việt Nam Công tác nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy kéo ở nước ta bắt đầu khá sớm, từ năm 1962 đã nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm nhiều loại máy kéo. Liên tục đã có nhiều chương trình nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước về chế tạo máy kéo. Có thể nói sự phát triển của ngành chế tạo máy kéo 4 Đồ án tốt nghiệp ở nước ta vẫn đang trong thời kỳ nghiên cứu và hoàn thiện. 1.3.2. Tình hình nhập và sử dụng máy kéo ở Việt Nam Trong thời kỳ bao cấp, Miền Bắc nhập nhiều loại máy kéo từ các nước Đông Âu, Trung Quốc. Trong đó số lượng máy nhập từ Liên Xô (cũ) chiếm nhiều nhất. Vê chất lượng, qua thực tế sử dụng nhiều năm đã khẳng định loại máy kéo bánh MTZ – 50/80 và cả loại máy kéo xích DT – 75 do Liên Xô chế tạo là phù hợp với điều kiện sản xuất của nước ta trong thời kỳ bao cấp. Sau Nghị quyết 10 của Bộ Chính trị, ruộng đất được giao cho nông dân sử dụng lâu dài, kích thước ruộng bị thu hẹp, manh mún. Các máy kéo lớn không phát huy được hiệu quả sử dụng và thay vào đó là các loại máy kéo công suất nhỏ. Các máy kéo đang sử dụng ở Miền Bắc rất đa dạng về chủng loại, mã hiệu và tính năng kỹ thuật, công suất khoảng 6 – 12 mã lực đối với máy kéo 2 bánh và 15 – 30 mã lực đối với máy kéo 4 bánh. Phấn lớn trong số đó là các máy nhập từ Trung Quốc, Nhật Bản, Thái Lan,… Thực trạng vấn đề này do nhiều nguyên nhân gây ra, một phần do kích thước đồng ruộng ở các vùng không giống nhau đặc biệt ở Miền Bắc diện tích thửa ruộng quá nhỏ, vốn đầu tư từ nông hộ thì hạn chế ngay cả nhóm, cá nhân chuyên kinh doanh các máy nông nghiệp đi làm thuê vẫn còn khó khăn về vốn. Mặt khác, do nền công nghiệp chế tạo máy kéo ở nước ta chưa phát triển các máy kéo chủ yếu nhập ngoại không được quản lý về chất lượng và cũng không có chỉ dẫn cần thiết của các cơ quan khoa học. Vì thế sự trang bị máy kéo ở các nông hộ gần giống như một cuộc “thử nghiệm” với trình độ rất thấp và không có sự hỗ trợ của các nhà khoa học cũng như sự bảo hộ của pháp luật đối với sử dụng máy. Hậu quả của việc trang bị máy móc thiếu những căn cứ khoa học cần thiết là nhiều chủ máy có hiệu quả sử dụng thấp thậm chí còn bị phá sản, chưa thực sự có tác dụng kích thích phát triển sản xuất nông nghiệp. Đây cũng là bài học 5 Đồ án tốt nghiệp thực tế cho các nhà khoa học, các nhà quản lý và những người sử dụng máy. Tình trạng phát triển của ngành chế tạo máy kéo ở nước ta rất chậm và trong những năm tới chưa thể chế tạo ra máy kéo lớn có chất lượng kỹ thuật cao đáp ứng được yêu cầu cơ giới hóa sản xuất nông lâm nghiệp. Hiện nay cả nước có khoảng 250000 máy kéo các loại tăng 1,64 lần so với năm 2000. Ở nước ta có nhà máy cơ khí nông nghiệp Hà Tây chuyên phân phối các loại máy kéo có công suất nhỏ từ 12 – 22 mã lực động cơ 1 xylanh, và một số sản phẩm về máy nông nghiệp khác. 1.4. Tính chất cơ lý của đất Các máy kéo chủ yếu làm việc trên đồng ruộng hoặc chuyển động trên các loại đường đất. Việc nghiên cứu các quá trình tác động tương hỗ giữa bộ phận di động của máy (bánh xe hoặc dải xích) và đất là cần thiết và quan trọng. Để nắm được vấn đề này trước hết cần nắm được các tính chất cơ lý của đất. Đất là một môi trường phức tạp - phân tán rời rạc, không đồng nhất và được cấu tạo bởi ba pha : pha cứng (các hạt cứng), pha lỏng (nước) và pha khí (không khí và hơi). Các tính chất cơ lý của đất sẽ thay đổi tùy thuộc vào tính chất và thành phần của các pha chứa trong đất. Việc nghiên cứu các tính chất cơ lý của đất đã được trình bày kỹ trong môn cơ học đất. Ở đây chỉ xem xét những tính chất cơ bản có ảnh hưởng lớn đến khả năng kéo bám của máy kéo. Những tính chất vật lý có ảnh hưởng lớn đến tính năng kéo bám của máy kéo là thành phần cấu trúc, độ ẩm và độ chặt. Thành phần cấu trúc của đất (còn gọi là thành phần hạt) được đánh giá bởi kích thước hàm lượng của các hạt cứng (cốt liệu) trong khối đất. Theo thành phần cấu trúc các loại đất được chia thành hai nhóm chính : nhóm đất sét và nhóm đất cát. Nhóm đất sét được cấu tạo chủ yếu bởi các hạt sét, còn nhóm đất cát chủ yếu là do các hạt cát cấu thành nên. Tuỳ theo hàm lượng 6 Đồ án tốt nghiệp của các thành phần các nhóm này còn được phân loại ra một số loại cụ thể. Độ ẩm của đất biểu thị lượng nước chứa trong khối đất và được đánh giá bởi tỷ số giữa trọng lượng của phần nước chứa trong khối đất và trọng lượng toàn phần của khối đất đó khi ở trạng thái tự nhiên. Khi độ ẩm thay đổi thì trạng thái và các tính chất cơ học của đất cũng thay đổi theo. Ví dụ, tùy thuộc vào độ ẩm trạng thái của đất sét có thể là cứng, dẻo hoặc ở thể lỏng. Độ chặt (còn gọi là độ cứng) là lực cản riêng của đất trên mỗi đơn vị diện tích đầu đo (máy đo độ chặt) khi ấn đầu đo đó vào trong đất từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng. Độ chặt và độ ẩm của đất có ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ học của nó. Khi khảo nghiệm máy kéo trên đồng ruộng thường phải xác định hai thông số này ở các độ sâu khác nhau tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Các tính chất cơ học của đất Khi quan sát sự tác động tương hỗ giũa bộ phận di động của máy và đất người ta thấy thường xuất hiện các hiện tượng sau đây : − Sự phá vỡ hoàn toàn cấu trúc của đất ở những vùng có ứng suất lớn hơn khả năng tiếp nhận ngoại lực của đất. − Xuất hiện lực ma sát giữa bộ phận di động và đất, giữa các phần tử đất (ma sát nội tại) do chúng bị trượt tương đối với nhau. − Đất bị nén lại và các phần tử đất dịch chuyển theo nhiều hướng khác nhau. Do đó xuất hiện các ứng suất ở trong đất, trước tiên xuất hiện ở vùng tiếp xúc trực tiếp với bộ phận di động và sau đó sẽ được lan truyền vào bên trong theo nhiều hướng khác nhau. Độ lớn và sự phân bố các ứng suất phụ thuộc vào tính chất tác động của tải trọng, loại và trạng thái vật lý của đất. Để tiện cho việc nghiên cứu người ta phân tích sự biến dạng của đất theo hai phương : phương pháp tuyến (vuông góc với mắt đất) và phương tiếp tuyến (song song với mặt đất). Các ứng suất cũng được phân tích thành hai 7 Đồ án tốt nghiệp thành phần tương ứng với hai phương đó : ứng suất pháp tuyến (ứng suất nén) và ứng suất tiếp tuyến (ứng suất cắt). Độ sâu của vết bánh xe sẽ phụ thuộc vào ứng suất nén, còn tính chất kéo bám của bộ phận di động sẽ phụ thuộc vào ứng suất cắt. Do đó sức chống nén và chống cắt là hai tính chất cơ học cơ bản có ảnh hưởng lớn đến tính năng kéo bám của máy kéo. Sức chống nén của đất được đặc trưng bởi ứng suất pháp tuyến .Thực ngiệm cho thấy rằng, mối quan hệ định lượng giữa ứng suất pháp tuyến σ và độ biến dạng h của đất có tính chất phi tuyến. Đường cong biểu diễn mối quan hệ đó có dạng như hình 1.1. Đồ thị này còn có tên gọi là đặc tính nén của đất hoặc đường cong nén đất. Đặc tính nén của đất có thể chia thành 3 phần tương ứng với ba giai đoạn của quá s smax trình nén đất. Trong giai đoạn thứ nhất chỉ xảy ra sự nén chặt làm cho các phần tử đất xích lại gần nhau, quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng là tuyến tính. Trong giai đoạn thứ hai sự nén chặt đất vẫn tiếp tục xảy ra nhưng đồng thời xuất hiện cục bộ hiện tượng cắt đất ở một số vùng bao quanh khối đất. Khi đó 0 I II III h Hình 1.1 Quan hệ giữa ứng suất pháp s và độ biến dạng h ứng suất lớn hơn lực nội ma sát và lực dính giữa các hạt đất, do đó biến dạng sẽ tăng nhanh hơn so với sự tăng ứng suất và quan hệ giữa chúng là phi tuyến. Cuối giai đoạn hai ứng suất trên toàn bộ vùng bao quanh khối đất lớn hơn nội lực ma sát và lực dính giữa các phần tử đất, quá trình nén chặt đất kết thúc và bắt đầu xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn giữa khối đất và vùng đất bao quanh nó và ứng suất pháp tuyến đạt giá trị cực đại. Trong giai đoạn thứ ba chỉ xảy ra hiện tượng truợt của khối đất, ứng suất không tăng nhưng biến 8 Đồ án tốt nghiệp dạng vẫn tiếp tục tăng. Ở một số loại đất trong giai đoạn này ứng suất còn giảm xuống chút ít. Sự xuất hiện ứng suất pháp tuyến trong đất là do tác động của ngoại lực (lực nén). Khi tăng lực nén sẽ làm tăng ứng suất cho đến khi đạt đến ứng suất cực đại, sau đó dù có tăng lực nén ứng suất không tăng nữa. Do đó ứng suất cực đại σmax sẽ đặc trưng cho khả năng chống nén của đất. Trị số của s max phụ thuộc loại đất và các tính chất vật lý của nó, đặc biệt là độ ẩm. Sự biến dạng của đất theo phương pháp tuyến liên quan đến độ sâu của vết bánh xe và do đó ảnh hưởng đến lực cản lăn của máy kéo. Vì vậy đường đặc tính nén đất được sử dụng như một cơ sở khoa học để tính toán thiết kế hệ thống di động của máy kéo. Để tiện sử dụng đặc tính này người ta thường biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất pháp tuyến và độ biến dạng bằng các công thức hồi quy thực nghiệm. Tùy theo mục đích nghiên cứu và quan điểm của các tác giả và tùy thuộc cả loại đất, mối quan hệ đó có thể được biểu diễn theo các công thức thực nghiệm khác nhau. Một trong các công thức hay được sử dụng có dạng : σ=k.hn trong đó : k là hệ số thực nghiệm; (1.1) h - độ biến dạng; n - chỉ số mũ. Trị số của k và n phụ thuộc vào loại đất, trạng thái vật lý của nó và được xác định bằng thực nghiệm. Sức chống cắt của đất được tạo thành bởi hai thành phần : lực ma sát và lực liên kết (lực dính) giữa các phần tử đất. Các thành phần lực này phụ thuộc vào các tính chất cơ lý và phụ thuộc vào áp suất pháp tuyến, tức là phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến. Trong quá trình cắt đất theo phương ngang xảy ra sự biến dạng và xuất hiện các ứng suất tiếp tuyến. Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa ứng suất tiếp tuyến τ và biến dạng l có dạng như hình 1.2. 9 Đồ án tốt nghiệp Hình dạng của đường cong cắt đất cũng tương tự như đường cong nén đất. Đối với đất dẻo,sau khi ứng suất cắt đạt đến giá trị cực đại τmax đường biểu diễn là đường nằm ngang, chứng tỏ ứng suất không thay đổi. Nhưng đối với đất cứng, sau khi đạt giá trị cực đại ứng suất cắt giảm xuống chút ít rồi sau đó sẽ giữ nguyên giá trị. Điều này được giải thích rằng, ở đất cứng sức chống cắt được tạo thành chủ yếu do lực ma sát giữa các phần tử đất. Khi τ < τmax trong đất xuất hiện ma sát nghỉ nhưng khi τ = τmax sẽ bắt đầu xảy ra hiện tượng trượt hoàn toàn và do đó xuất hiện ma sát trượt và ứng suất cắt sẽ giảm xuống. Người ta thường sử dụng ứng suất cắt cực t đại τmax để đặc trưng cho khả năng chống cắt tmax1 của đất và gọi là sức chống cắt của đất. Giá trị tmax2 τmax phụ thuộc vào áp suất pháp tuyến (ứng suất 1 2 nén), loại và trạng thái vật lý của đất. Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa sức chống cắt τ và ứng suất pháp σ gần như là tuyến tính, thể hiện như hình 1.3. Đối với đất khô lực dính là không đáng kể, đồ thị đi từ gốc tọa độ, còn ở các loại đất tự nhiên bao 0 l02 l01 Hình 1.2 Quan hệ giữa ứng suất tiếp t và độ biến dạng l 1− đất dẻo; 2− đất khô. giờ cũng tồn tại lực dính giữa các phần tử đất, trên đồ thị được biểu diễn bởi τo. Mối quan hệ giữa ứng suất tiếp tuyến và ứng suất pháp tuyến có thể được biểu diễn theo công thức : τ = τo + µσ (1.2) trong đó : τo là ứng suất do lực dính giữa các phần tử đất tạo nên; µ - hệ số ma sát giữa các phần tử đất: 10 µ = tgϕ l Đồ án tốt nghiệp ϕ - góc nội ma sát; σ - ứng suất pháp tuyến. Trong các tính chất vật lý, độ ẩm ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất cơ học của đất. Thực nghiệm cho thấy rằng, mối quan hệ giữa hệ số µ và độ ẩm W có dạng như hình 1.4. t m 1 2 t0 0 s w Hình 1.4. Ảnh hưởng độ ẩm đến hệ số m Hình 1.3. Quan hệ giữa ứng suất tiếpp t và ứng suất pháp s 1− đất mềm; 2− đất cứng Độ ẩm còn gây ảnh hưởng đến cả tốc độ biến dạng của đất khi nó chịu tác động tải trọng động. Vì tốc độ thoát nước qua các lỗ rỗng trong đất ảnh hưởng đến tốc độ lan truyền ứng suất và tốc độ biến dạng mà tốc độ thoát nước lại phụ thuộc vào tốc độ thay đổi lực tác động lên đất. Lực tác động của bộ phận di động của máy kéo lên đất mang tính chất tải trọng động lực học. Do đó độ ẩm sẽ gây ảnh hưởng đến tính năng kéo bám và độ trượt của máy kéo. Tóm lại, sức chống nén và sức chống cắt của đất là những thông số quan trọng và thường được sử dụng để tính toán cường độ chịu tải, tính ổn định của đất ở những công trình thủy lợi, xây dựng và là một trong những thông số cơ bản xác định độ lún, số lượng, tiết diện và góc nghiêng của các loại mấu bám bánh xe máy kéo làm việc trên đất có độ ẩm cao. 11 Đồ án tốt nghiệp 12 Đồ án tốt nghiệp Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Đường đặc tính của động cơ Động cơ đặt trên các máy kéo chủ yếu là động cơ đốt trong loại piston. (động cơ lắp trên máy kéo Bông Sen 20 là loại động cơ 1 piston đặt nằm ngang). Các chỉ tiêu năng lượng và tính kinh tế của động cơ được thể hiện rõ trên đường đặc tính làm việc của nó. Tính chất hoạt động của động cơ ảnh hưởng rất lớn đến tính năng sử dụng của máy kéo. Vì vậy cần thiết phải nắm vững các đường đặc tính của động cơ để giúp cho việc giải quyết vấn đề cơ bản trong lý thuyết máy kéo như nghiên cứu các tính năng kéo và tính năng động lực học của máy kéo. Các đường đặc tính của động cơ có thể chia làm 2 loại : - đường đặc tính tốc độ - đường đặc tính tải trọng. 2.1.1. Đường đặc tính tốc độ Đường đặc tính tốc độ là đồ thị chỉ sự phụ thuộc của công suất hiệu dụng Ne, mô men quay Me, chi phí nhiên liệu giờ GT và chi phí nhiên liệu riêng ge (lượng chi phí nhiên liệu để sản ra một đơn vị công suất hiệu dụng) theo số vòng quay n hoặc theo tốc độ góc ω của trục khuỷu. Các loại động cơ điezen lắp trên máy kéo đều có bộ điều tốc (máy điều chỉnh tốc độ) để duy trì tốc độ quay của trục khuỷu khi tải trọng ngoài (mô men cản Mc) thay đổi. Đường đặc tính tốc độ của động cơ điezen phụ thuộc rất lớn vào đặc tính của bộ điều tốc, do đó nó còn gọi là đường đặc tính tự điều chỉnh. Có hai loại đường đặc tính tốc độ : − Đường đặc tính tốc độ ngoài, gọi tắt là đường đặc tính ngoài. 13 Đồ án tốt nghiệp − Đường đặc tính cục bộ. Các đường đặc tính của động cơ nhận được bằng cách khảo nghiệm trên các thiết bị chuyên dùng (bàn khảo nghiệm động cơ). Đường đặc tính ngoài của động cơ nhận được khi khảo nghiệm động cơ ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là khi đặt tay thước nhiên liệu (ở động cơ điêzen) ở vị trí cực đại hoặc mở hoàn toàn bướm ga (ở động cơ xăng). Nếu tay thước nhiên liệu hoặc bướm ga đặt ở vị trí trung gian sẽ nhận được đường đặc tính cục bộ. Như vậy ở các động cơ lắp bộ điều tốc đa chế (máy điều chỉnh mọi chế độ) sẽ có một đường đặc tính ngoài và vô vàn đường đặc tính cục bộ tùy thuộc vào vị trí tay ga. Trên hình 2.1 biểu diễn đường đặc tính ngoài tự điều chỉnh của động cơ điêzen. N e N =N G M ge N e emax n Me M e emax e G e Mn ge Hình 2.1 Đường đặc tính tự điều chỉnh của động cơ điêzen Geo nM n n n Qua đó ta thấy rằng, ởnchế độ cktốc độ n n công suất động cơ đạt giá trị cực đại Nemax và chi phí nhiên liệu riêng đạt giá trị cực tiểu g emin, khi đó động cơ làm việc có hiệu quả nhất và được gọi là chế độ làm việc danh nghĩa hoặc chế độ làm việc định mức. ở chế độ này các chỉ tiêu của động cơ cũng có tên gọi tương ứng : công suất định mức Nn = Nemax, mô men quay định mức Mn và số vòng quay định mức nn 14 Đồ án tốt nghiệp Khoảng biến thiên tốc độ từ số vòng quay định mức n n đến số vòng quay chạy không nck phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc. Phần đồ thị tương ứng khoảng tốc độ nn - nck được gọi là nhánh tự điều chỉnh (các đường đồ thị có dạng đường thẳng), còn tương ứng với vùng tốc độ nhỏ hơn n n là nhánh không có điều tốc hoặc nhánh quá tải (các đồ thị có dạng đường cong). Ở nhánh quá tải công suất của động cơ giảm còn chi phí nhiên liệu riêng tăng, tức là động cơ làm việc kém hiệu quả. Ngoài ra, các chi tiết của động cơ sẽ chịu tải trọng lớn hơn đồng thời sự bôi trơn các chi tiết cũng kém đi do tốc độ quay của trục khuỷu thấp dẫn đến tăng tốc độ mài mòn các chi tiết và còn một số nhược điểm khác nữa. Do vậy không nên sử dụng động cơ ở nhánh quá tải trong thời gian dài, chỉ được phép sử dụng để khắc phục các hiện tượng quá tải tức thời. Ở nhánh quá tải, mô men quay vẫn tiếp tục tăng nhưng chậm và sau khi đạt giá trị cực đại Mmax nếu tải trọng tiếp tục tăng lên thì mô men động cơ M e và tốc độ quay n sẽ giảm dần rồi ngừng quay vì lúc đó quá trình tự đốt cháy nhiên liệu không thực hiện được. Do vậy động cơ chỉ có thể hoạt động được với tải trọng Mc < Mmax tương ứng với tốc độ quay n > nM. Để đánh giá khả năng khắc phục hiện tượng quá tải hay còn gọi là khả năng thích ứng của động cơ đối với sự tăng tải, người ta đưa ra hệ số thích ứng theo mô men quay và được xác định như sau : kM = M max Mn (2.1) trong đó : Mmax - mô men quay cực đại của động cơ; Mn - mô men quay định mức của động cơ. Động cơ nào có hệ số thích ứng càng lớn thì khả năng khắc phục hiện tượng quá tải càng tốt. Ở các động cơ điêzen thông thường kM = 1.1 ÷ 1,25 Máy kéo thường làm việc với tải trọng thay đổi ngẫu nhiên, trong phạm vi rộng nhiều khi người lái không kịp phản xạ để điều chỉnh ga hoặc thay đổi 15 Đồ án tốt nghiệp số truyền và dẫn đến bị chết máy. Do vậy chỉ nên sử dụng công suất động cơ nhỏ hơn công suất định mức và tất nhiên chỉ cho phép làm việc lâu dài ở nhánh tự điều chỉnh. Mức độ sử dụng công suất động cơ được đánh giá bởi hệ số sử dụng tải trọng : Mc γ= M n (2.2) trong đó : Mc - mô men cản đặt lên trục khuỷu; Mn - mô men quay định mức của động cơ. Khi tính toán các chỉ tiêu kéo của máy kéo có thể chọn γ = 0,8 ÷ 0,9. Đường đặc tính tốc độ ngoài được sử dụng như một tài liệu kỹ thuật để đánh giá tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ. Trong lý thuyết máy kéo thường được sử dụng để tính toán tính năng kéo và tính năng động lực học hoặc sử dụng để tính toán các chỉ tiêu sử dụng các liên hợp máy kéo (máy kéo liên hợp máy công tác). Việc xây dựng chính xác đường đặc tính của động cơ chỉ có thể tiến hành bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, nếu chấp nhận độ chính xác tương đối cũng có thể sử dụng phương pháp giải tích kết hợp sử dụng một số công thức hoặc hệ số thực nghiệm. Một trong những công thức hay được sử dụng là công thức S.R. Lay Đecman, có dạng như sau : 2 3  n  n  n  N e = N n a + b  − c    nn   n n    n n (2.3) trong đó : Ne, n - công suất hiệu dụng và tốc độ quay của động cơ ứng với một điểm bất kỳ trên đường đặc tính ngoài; Nn, nn - công suất định mức (công suất cực đại) và số vòng quay định mức; a, b, c - các hệ số thực nghiệm được chọn theo loại động cơ; ở động cơ điêzen 2 kỳ a = 0,87; b = 1,13; c = 1; 16 Đồ án tốt nghiệp ở động cơ điê zen 4 kỳ a = 0,5 ÷ 0,7; b = 1,5 ÷ 1,3; c = 1. Giá trị của mô men quay được xác định theo công thức : Me = 10 4 N e 1,047 n (2.4) trong đó : Ne - công suất động cơ, KW; n - số vòng quay của trục khuỷu, v/ph; Me - mô men quay của động cơ, Nm. Như vậy, nhờ sử dụng các công thức (2.3) và (2.4) ta có thể xây dựng được một cách gần đúng các đường cong Ne = f(n) và Me = f(n). 2.1.2. Đường đặc tính tải trọng Đường đặc tính tải trọng là đồ thị biểu diễn mối quan hệ của công suất hiệu dụng Ne, số vòng quay của trục khuỷu n và chi phí nhiên liệu giờ G T với mô men quay của động cơ Me. Đường đặc tính tải trọng có dạng như hình 2.2. Về bản chất của các mối liên hệ giữa các thông số và cách xây dựng các mối quan hệ đó hoàn toàn giống như đã phân tích trên đường đặc tính tốc độ. Nhưng đường đặc tính tải trọng sẽ thuận lợi hơn cho một số vấn đề nghiên cứu, nhất là khi nghiên cứu các tính năng kéo của máy kéo. Vì rằng, nhánh điều chỉnh trong đường đặc tính tải trọng (tương ứng với khoảng thay đổi mô men từ 0 đến Mn) có thể bố trí được rộng hơn so với nhánh điều chỉnh ở đường đặc tính tốc độ (trong khoảng n n - nck). Nhờ đó khi xác định giá trị của các thông số trên đồ thị sẽ chính xác hơn. Tuy nhiên, để đánh giá tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ thì đường đặc tính tốc độ thể hiện đầy đủ hơn, dễ so sánh giữa các động cơ với nhau thông qua chi phí nhiên liệu riêng ge. 17 Đồ án tốt nghiệp N n G e n e g e N e G e g e 0 M n M emax M e Hình 2.2. Đường đặc tính tải trọng của động cơ 2.2. Tính năng kéo bám của máy kéo Công dụng chính của các máy kéo nông nghiệp là dùng làm nguồn động lực cho các liên hợp máy thực hiện các công việc trên đồng ruộng. Hiệu quả làm việc của các liên hợp máy phụ thuộc rất lớn vào tính năng kéo của máy kéo 2.2.1. Khái niệm về lực kéo tiếp tuyến, lực bám và hệ số bám của bánh xe chủ động 2.2.1.1. Khái niệm về lực kéo tiếp tuyến (lực chủ động) Quá trình tác động tương hỗ giữa bánh xe với mặt đường hoặc đất xảy ra rất phức tạp, song về nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động có thể biểu diễn như hình 2.3. Dưới tác dụng của mô men chủ động Mk bánh xe tác động lên mặt đường một lực tiếp tuyến P (không vẽ trên hình), ngược lại mặt đường tác 18 Đồ án tốt nghiệp dụng lên bánh xe một phản lực tiếp tuyến Pk cùng chiều chuyển động với máy kéo và có giá trị bằng lực P (P k = P). Phản lực Pk có tác dụng làm cho máy chuyển động. Do vậy phản lực tiếp tuyến Pk được gọi là lực kéo tiếp tuyến, đôi khi còn Mk GK Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động RK rk PK ZK được gọi là lực chủ động. Về bản chất, lực kéo tiếp tuyến là phản lực của đất tác dụng lên bánh xe do mô men chủ động gây ra, có chiều cùng với chiều chuyển động của máy kéo. Giá trị lực kéo tiếp tuyến khi máy kéo chuyển động ổn định được xác định theo công thức : M k Pk = r = k M e iη m rk (2.5) trong đó : M k - mô men chủ động; Me - mô men quay của động cơ; i, ηm -tỷ số truyền và hiệu suất cơ học của hệ thống truyền lực; rk- bán kính bánh xe chủ động Qua đó ta thấy rằng, lực kéo tiếp tuyến sẽ đạt giá trị cực đại P kmax khi sử dụng số truyền có tỷ số truyền lớn nhất i = imax và mô men quay động cơ đạt giá trị lớn nhất Me = Mmax, nghĩa là : Pkmax = M e max i maxη m rk (2.6) Khi máy kéo chuyển động không ổn định mô men chủ động còn phụ thuộc vào gia tốc và mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay 19 Đồ án tốt nghiệp không đều trong hệ thống truyền lực và trong động cơ. Lực kéo tiếp tuyến có thể được xác định theo công thức : M k' M ' Pk = = Pk ± ak rk rk (2.7) trong đó: M’ k - mô men chủ động khi chuyển động không ổn định; Mak - mô men các lực quán tính tiếp tuyến của các chi tiết chuyển động quay không đều trong hệ thống truyền lực và trong động cơ; Pk, P’k - lực kéo tiếp tuyến khi chuyển động ổn đìnhva khi chuyển động không ổn định. Trong công thức (2.7) lấy dấu cộng khi chuyển động chậm dần và dấu trừ khi chuyển động nhanh dần. 2.2.1.2. Khái niệm về lực bám và hệ số bám Như đã được phân tích ở trên, sự xuất hiện lực kéo tiếp tuyến Pk là do kết quả của tác động tương hỗ giữa bánh xe và mặt đường. Do đó giá trị lớn nhất của lực kéo tiếp tuyến không chỉ phụ thuộc vào khả năng cung cấp mô men quay từ động cơ mà còn phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với đất hoặc mặt đường. Khi bánh xe không còn khả năng bám sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn, lúc đó trị số của lực kéo tiếp tuyến cũng đạt đến giá trị cực đại. Giá trị cực đại của lực kéo tiếp tuyến theo khả năng bám của bánh xe được gọi là lực bám Pϕ , nghĩa là: Pkmax = Pj Về bản chất, lực bám được tạo thành bởi 2 thành phần chính : lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường; sức chống cắt của đất được sinh ra do tác động của các mấu bám. Khi chuyển động trên đường cứng, lực bám được tạo tành 20