BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN CÔNG THUẬT NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG TRÊN MÁY KÉO NHỎ 4 BÁNH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ : 62 52 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2014 Công trình hoàn thành tại: HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Ngƣời hƣớng dẫn: 1. PGS.TS. BÙI HẢI TRIỀU 2. TS. BÙI VIỆT ĐỨC Phản biện 1: GS.TS. Vũ Đức Lập Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Bang Phản biện 3: PGS.TS. Đào Hữu Quyết Luận án sẽ đƣợc bảo vệ tại hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Vào hồi , ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện: - Thƣ viện Quốc gia Việt Nam - Thƣ viện Học viện Nông nghiệp Việt Nam - Thƣ viện Trƣờng Đại học Công nghiệp Việt - Hung 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Máy kéo là thiết bị động lực được sử dụng chủ yếu trong sản xuất nông nghiệp, nơi có điều kiện tải trọng phức tạp và thay đổi trong dải rộng. Trong điều kiện sản xuất nông nghiệp ở Việt nam, đặc biệt ở miền Trung và miền Bắc, máy kéo nhỏ (dưới 20 kW) chiếm ưu thế và được sử dụng rất phổ biến góp phần quan trọng trong việc tăng năng suất và giải phóng sức lao động cho nông dân. Để hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng thay đổi phức tạp trong dải rộng, máy kéo nhỏ cần được trang bị hộp số có nhiều cấp số truyền đảm bảo máy kéo làm việc tốt trong canh tác cũng như trong vận chuyển. Một trong những phương án tối ưu là trang bị cho máy kéo hệ thống truyền lực vô cấp (CVT) đảm bảo cho tỷ số truyền thay đổi liên tục trên toàn bộ dải tốc độ. Việc nghiên cứu nhằm lựa chọn ra phương pháp điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật với máy kéo nông nghiệp nhưng có công nghệ chế tạo phù hợp và chi phí đầu tư ban đầu chấp nhận được với các hộ nông dân là thực sự cần thiết để ứng dụng trong thực tiễn. Với những lí do trên, đề tài luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh”, nhằm lựa chọn phương pháp điều khiển tự động tỉ số truyền của CVT phù hợp tạo cơ sở khoa học cho việc chế tạo máy kéo nhỏ bốn bánh truyền lực vô cấp phân tầng tại Việt Nam. 2. Giả thuyết vấn đề nghiên cứu Trên cơ sở kết cấu hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ, thay thế truyền động đai thang truyền thống bằng bộ truyền động vô cấp đai thang bản rộng kết hợp hộp số cơ khí đơn giản với hai cấp số truyền (vô cấp phân tầng-VCPT) điều khiển bằng tay tương ứng với chế độ 2 canh tác và vận chuyển. Sử dụng phương pháp điều khiển tỷ số truyền bằng cách thay đổi lực kẹp ở bánh đai chủ động và bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo, hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn với van đóng ngắt điều khiển lực ép bánh đai chủ động để đạt được tỷ số truyền mong muốn. 3. Phƣơng án kiểm định giả thiết Xây dựng mô hình toán các phần tử, mô hình hóa, mô phỏng hệ thống tiến hành khảo sát các phương án điều khiển tỷ số truyền trên mô hình; thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tự động tỷ số truyền của truyền động vô cấp theo tải trọng nhằm kiểm định kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng. 4. Mục tiêu của luận án Lựa chọn được phương án và xây dựng hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền bộ truyền động đai vô cấp đáp ứng yêu cầu giữ điểm làm việc của LHM tại vùng làm việc có lợi nhất trên đặc tính của động cơ, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật. 5. Đối tƣợng nghiên cứu Bộ truyền động vô cấp đai thang cho máy kéo bốn bánh có công suất nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam. 6. Giới hạn nghiên cứu Sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trong nghiên cứu lý thuyết; thí nghiệm kiểm chứng được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên cơ sở chế tạo thiết bị thí nghiệm tự động điều khiển tỷ số truyền theo tải trọng, tải trọng được tạo bằng cách thay đổi áp suất trong hệ thống thủy lực phụ tải; phần điều khiển điện tử của thiết bị được đơn giản hóa theo mục tiêu nghiên cứu của luận án. Thời gian nghiên cứu: từ tháng 5 năm 2011 đến tháng 5 năm 2014 3 7. Đóng góp mới của luận án - Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng liên hợp với máy nông nghiệp mô tả đầy đủ về kết cấu, hoạt động và tác động qua lại giữa các phần tử Máy kéo – Máy cày – Đất canh tác. Mô hình có thể được sử dụng để khảo sát linh hoạt hệ thống theo các điều kiện thay đổi tải trọng và mức ga để đánh giá tính chất điều khiển và truyền động của LHM. Độ tin cậy và chính xác của mô hình đã được đánh giá thông qua các thí nghiệm đối chứng. - Thiết bị thí nghiệm được thiết kế chế tạo từ luận án sử dụng các phương pháp đo, thu nhận số liệu, xử lý và điều khiển hiện đại có thể thử nghiệm tốt các phương án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát các phương án thay đổi tải, được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây dựng chương trình điều khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng. - Xác định được phương án điều khiển tự động tỉ số truyền của truyền động vô cấp bằng hệ thống thủy lực sử dụng van đóng ngắt tạo lực ép tác động vào bánh đai chủ động, bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo có kết cấu đơn giản, phù hợp với điều kiện sản xuất Việt Nam. Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam Tính đến năm 2012, ở Việt Nam có khoảng 300 nghìn máy kéo các loại sử dụng trong sản xuất nông nghiệp với tổng công suất lên tới 3,68 triệu kW, trong đó công suất của máy kéo lớn chỉ chiếm khoảng 40% (Phạm Văn Lang, 2012), mức độ cơ giới hóa trong khâu làm đất trồng lúa ở miền Bắc là 76,4%, cả nước là 89,5% (Việt Hà, 2013). Hầu hết các máy kéo nhỏ sản xuất trong nước đang sử dụng ở 4 Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản. 1.2. Tổng quan về chuyển động vô cấp trên máy kéo 1.2.1. Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp Để kết nối, truyền và biến đổi chuyển động từ động cơ đến bộ phận di động, hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng rất phổ biến các dạng truyền động vô cấp trong hệ thống truyền lực của ô tô - máy kéo. Truyền động vô cấp có thể là truyền động thủy lực, truyền động điện hay truyền động cơ khí. 1.2.2. So sánh các loại truyền động vô cấp Truyền động vô cấp ứng dụng trên máy kéo rất đa dạng, trong chế tạo và sử dụng CVT được đánh giá theo các tiêu chí: Khả năng truyền mô men, phạm vi thay đổi tỷ số truyền, hiệu suất truyền động, tính nhạy, độ ồn khi làm việc, thể tích riêng, tuổi thọ. Tuy nhiên, việc so sánh đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn được dạng truyền động vô cấp phù hợp cho hệ thống truyền lực của máy kéo phải trên cơ sở công suất truyền tải. Đối với máy kéo công suất nhỏ được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp, bộ truyền vô cấp đai thang đáp ứng tốt các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật. 1.3. Công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến đề tài luận án 1.3.1 Các nghiên cứu về máy kéo với truyền lực vô cấp Phạm vi điều chỉnh tỷ số truyền của truyền động vô cấp nằm trong khoảng 1:5 và 1:9, do đó không đảm bảo cho dải thay đổi tải trọng khi chỉ sử dụng một bộ truyền động vô cấp. Để máy kéo làm việc tối ưu trong quá trình canh tác cũng như vận chuyển, cần thiết phải có thêm trong hệ thống truyền lực một hộp số cơ học có thêm các cấp số tỷ số truyền. Đã có các nghiên cứu và ứng dụng truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ trên thế giới. Trong các ứng dụng này, 5 hệ thống truyền lực của máy kéo được bố trí theo hai phương án: - Truyền lực vô cấp được bố trí trước hộp số cơ học - Truyền lực vô cấp được bố trí sau hộp số cơ học 1.3.2. Các nghiên cứu về điều khiển truyền động vô cấp Các khía cạnh nghiên cứu nhằm điều khiển lực ép phù hợp vào puli để đạt được một tỉ số truyền mong muốn là một phần tất yếu của nghiên cứu CVT hơn hai thập kỷ qua. Để đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu mong muốn ứng với các mức độ khác nhau của mô-men xoắn, cả tốc độ động cơ và mô-men xoắn động cơ cần phải được kiểm soát đồng thời. Các nghiên cứu và ứng dụng điều khiển CVT sử dụng hệ thống thủy lực với van tùy động đáp ứng tốt các mục tiêu điều khiển nhưng có nhược điểm giá thành cao, công nghệ chế tạo phức tạp. 1.4. Ứng dụng truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ sản xuất tại Việt Nam Trong truyền động vô cấp sử dụng đai thang bản rộng cho máy kéo nông nghiệp có công suất nhỏ, việc điều khiển tỷ số truyền có thể sử dụng lò xo kết hợp với hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn sử dụng van đóng ngắt. Ưu điểm của phương pháp này cho phép sử dụng nguồn dầu thủy lực có lưu lượng không đổi. Mặt khác, hệ thống điều khiển hai điểm với van đóng ngắt có chương trình điều khiển đơn giản, công nghệ chế tạo phù hợp với điều khiển sản xuất trong nước và chi phí đầu tư thấp rất phù hợp với cho máy kéo có công suất nhỏ có yêu cầu chi phí đầu tư không cao. Xuất phát từ mục tiêu trên tác giả Bùi Việt Đức đã thực hiện nghiên cứu ban đầu nhằm ứng dụng truyền động vô cấp cho máy kéo nhỏ tại Việt Nam, với đề tài “Nghiên cứu một số quan hệ động lực học truyền động vô cấp đai thang bản rộng cho máy kéo nhỏ” được 6 thực hiện tại Trường Đại học Rostock năm 2007. Luận án tập chung vào nghiên cứu tính chất hoạt động của bộ truyền vô cấp sử dụng đai thang bản rộng và mô phỏng hệ thống truyền lực của máy kéo với bộ truyền vô cấp đai thang bản rộng với thí dụ hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ. Các phương án nghiên cứu là thay đổi tốc độ quay của động cơ, thay đổi tải trọng của động cơ, đóng mở li hợp và thay đổi tỉ truyền. Việc thay đổi tỉ số truyền được thực hiện đơn giản bằng cách thay đổi lực ép lên đĩa di động của bánh đai chủ động và hệ thống truyền lực của máy kéo nghiên cứu chỉ giới hạn đến bánh xe máy kéo và tải trọng chỉ nghiên cứu đơn giản là thay đổi lực kéo của máy kéo. Như vậy luận án chưa quan tâm đến việc điều khiển tự động tỉ số truyền của CVT phù hợp với các chế độ làm việc của máy kéo trên đồng ruộng cũng như khi vận chuyển. Mô hình hệ thống truyền lực của máy kéo chưa xét đến các hoạt động thực của máy nông nghiệp khi liên hợp với máy kéo trong quá trình canh tác. Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng Trong lĩnh vực động lực học máy, phương pháp mô hình hóa và mô phỏng được sử dụng rất phổ biến do ưu thế nhiều mặt. Có hai phương pháp cơ bản trong mô hình hóa là mô hình hóa vật lý và mô hình hóa toán học. Trong luận án sử dụng chủ yếu phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng bằng phần mền Mathlab- simulik để giải bài toán và khảo sát các vấn đề nghiên cứu. 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được sử dụng để kiểm chứng lý thuyết, so sánh đánh giá mô hình mô phỏng. Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được sử dụng để đạt được mục tiêu chính là chế tạo bộ truyền động đai vô cấp điều khiển tỷ số truyền tự động theo tải trọng. 7 2200 v/p 40 Nm 9,2 kW(12,5ML) Truyền động vô cấp (i=0,34-2,92) Li hợp R I I II 1,5 12,75 km/h 22,75 4 1 8,5 R Phanh II Dải tốc độ Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN BÁNH TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 3.1. Phác thảo sơ đồ truyền lực VCPT cho máy kéo nhỏ bốn bánh Do đặc điểm hoạt động, sự thay đổi của lực cản và vận tốc chuyển động của máy kéo được phân tầng rõ rệt. Hình 3.1 giới thiệu sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh đáp ứng đặc điểm thay đổi tải trọng khi cánh tác và vận chuyển. Công suất động cơ được truyền tới bánh xe qua CVT, li hợp ma sát đơn, hộp số bánh răng hai cấp, truyền lực chính và truyền lực cuối cùng. Với hộp số hai cấp, máy kéo có thể chuyển động với vận tốc từ 1,5 đến 12,5 km/h khi làm việc trên đồng và 4 đến 22,75 km/h khi vận chuyển trên đường. Hình 3.1. Sơ đồ truyền động VCPT cho máy kéo nhỏ 3.2. Xây dựng mô hình các hệ thống thành phần 3.2.1. Mô hình động cơ máy kéo Luận án tập trung nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo, do đó động cơ được nhìn theo ý nghĩa là một nguồn động lực đáp ứng yêu cầu năng lượng khi hoạt động với tải trọng khác nhau trong nông nghiệp, trong mô hình nghiên cứu chỉ xem xét 8 động cơ làm việc trên nhánh tự điều chỉnh của đường đặc tính ngoài. Việc mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ trong nhánh này thể hiện qua công thức: NN nn nn M M    max max (3-1) 3.2.2. Mô hình truyền động vô cấp phân tầng Truyền lực vô cấp phân tầng bao gồm: truyền lực vô cấp đai thang bản rộng điều khiển được tỷ số truyền, li hợp ma sát đơn, hộp số phân tầng bánh răng ăn khớp ngoài có hai số tiến và một số lùi, truyền lực chính và truyền lực cuối. Do mục tiêu nghiên cứu, trong mô hình chỉ mô phỏng phần tử truyền động vô cấp. * Mô hình truyền động đai vô cấp bản rộng. Khả năng truyền công suất của bộ truyền động đai biến tốc phụ thuộc vào lực ma sát giữa dây đai và bánh đai, lực ma sát được tạo ra nhờ lực ép và hệ số ma sát. Giá trị của các lực ép có ảnh hưởng quyết định tới sự truyền mô men giữa các trục truyền động. Để bộ truyền đai không bị trượt trơn, các lực ép được tính toán sao cho mô-men ma sát lớn hơn mô – men được truyền. Tỷ số truyền được giữ cố định nhờ một trạng thái ổn định của lực ép trên bánh đai chủ động. Hình 3.2. Lực dụng lên bánh đai [...]... truyền đến tính chất hoạt động của máy kéo Ảnh hưởng của hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền đến tính chất hoạt động của máy kéo có thể dược xem như là phản ứng hệ thống điều khiển tỷ số truyền, các thông số động học và động lực học của LHM khi tải trọng ngoài thay đổi Mô hình động lực học LHM cày với máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng trên hình 3.5 được mô phỏng trên phần mền Matlab-Simulink và khảo... đó động cơ phải tự điều nên mô men động cơ dao động với biên độ lớn hơn 15 Chƣơng 4 PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY KÉO TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 4. 1 Lựa chọn máy nông nghiệp đi kèm Tải trọng của máy cày chủ yếu là lực cản, do tính chất đa dạng của đất canh tác nên lực cản cày là hàm ngẫu nhiên và có sự biến động lớn Xuất phát từ mục đích nghiên cứu tính chất điều khiển và. .. điều khiển và truyền động vô cấp nên trong mô hình mô phỏng máy kéo nhỏ truyền lực vô cấp phân tầng lựa chọn máy cày là máy nông nghiệp đi kèm 4. 2 Ảnh hƣởng của vị trí lắp cảm biến tải trọng đến tính chất điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp Lựa chọn bố trí cảm biến tải trọng sao cho phản ánh tức thời, trung thực sự thay đổi tải là yếu tố quan trọng giúp cho việc điều khiển tỷ số truyền CVT... động vô cấp nhờ van tùy động 2 cấp, Tạp chí Khoa học và Phát triển, Số 5: 745 -750 4 Nguyễn Công Thuật, Bùi Việt Đức và Bùi Hải Triều (2013) Điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp nhờ van đóng ngắt điện từ 3/3, Tạp chí Công nghiệp nông thôn, số10: 42 -45 5 Nguyễn Công Thuật, Bùi Việt Đức, Bùi Hải Triều và Đào Chí Cường (2013) Mô hình thí nghiệm tính chất truyền động và điều khiển bộ truyền động. .. của hệ thống thí nghiệm và được lắp ráp hoàn thiện tại xưởng thí - thực nghiệm của trường Đại học Công nghiệp Việt – Hung 5.3 Tổ chức thí nghiệm Trong thí nghiệm, đối tượng nghiên cứu là tính chất truyền động của bộ truyền đai vô cấp và tính chất điều khiển - điều chỉnh của bộ điều khiển tỉ số truyền bằng thủy lực sử dụng van đóng ngắt 3/3 khi tải trọng ngoài thay đổi 19 5.3.1 Thí nghiệm hệ thống điều. .. linh hoạt hệ thống theo các điều kiện thay đổi tải trọng và mức ga để đánh giá tính chất điều khiển và truyền động của LHM 2) Thiết bị thí nghiệm thử nghiệm tốt các phương án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát các phương án thay đổi tải, được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây dựng chương trình điều khiển tỉ số truyền cho máy kéo truyền lực VCPT 23 3) Hệ thống thủy... 3.2.6.1 Khảo sát với hệ thống điều khiển tỷ số truyền bằng tay: Nhằm đánh giá phản ứng của hệ thống khi tác động xung điều khiển dạng bậc (hình 3.6 và 3.7) 13 Hình 3 6 Giảm tỷ số truyền Hình 3.7 Tăng tỷ số truyền Nhận xét: Khi tác động xung điều khiển, các thông số của mô hình: tỷ số truyền, mô men và tốc độ góc của CVT thay đổi phù hợp 3.2.6.2 Khảo sát với hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền Thay đổi... chuyển, hộp số của máy kéo sẽ cài tương ứng với với một số truyền, tỷ số truyền của truyền động vô cấp được điều khiển tự động phù hợp với sự thay đổi tải trọng Phần tử hộp s truyền lực chính và truyền lực cuối được thể hiện qua bộ truyền có tỷ số truyền động cố định trong các chế độ canh tác hay vận chuyển 3.2.3 Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp Trong quá trình hoạt động bánh xe chủ động không những... gian điều khiển 4) Máy kéo với hệ thống truyền lực vô cấp phân tầng giúp cho động cơ làm việc ổn định trên điểm làm việc lựa chọn trong khi tải trọng ngoài biến động lớn (biên độ dao động của lực cản cày là 1500N trong khi đó mô men động cơ chỉ dao động tại vị trí lựa chọn với biên độ 3,5Nm) làm cơ sở cho việc tối ưu liên hợp máy nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí nhiên liệu 5) Truyền lực vô cấp phân. .. dụng truyền vô cấp cho máy kéo công suất nhỏ sản suất tại Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số đặc biệt: 48 -52 2 Bùi Việt Đức và Nguyễn Công Thuật (2013) Khảo sát quá trình thay đổi tỷ số truyền của bộ truyền động đai bản rộng vô cấp trên máy kéo công suất nhỏ, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số đặc biệt: 195-198 3 Nguyễn Công Thuật, Bùi Việt Đức và Bùi Hải Triều (2013) Điều khiển tỷ số truyền của truyền động . do trên, đề tài luận án đặt vấn đề Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh , nhằm lựa chọn phương pháp điều khiển tự động. DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN CÔNG THUẬT NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG TRÊN MÁY. chương trình điều khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng. - Xác định được phương án điều khiển tự động tỉ số truyền của truyền động vô cấp bằng hệ thống thủy lực