Sự trượt ngang của Liên hợp máy khi cày ngầm trên sườn dốc

Sự trượt ngang của

Liên hợp máy khi cày ngầm trên sườn dốc

Nguyễn Can

Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam

Diện tích đất cần chuẩn bị cho trồng rừng cả nước hiện có hàng chục triệu hecta. Chuẩn bị đất trồng rừng là khâu ban đầu và chiếm nhiều công sức trong toàn bộ quá trình trồng rừng;

Những kết quả nghiên cứu nhiều năm tại Viện KHLN cho thấy chuẩn bị đất bằng cơ giới hoá có nhiều ưu điểm hơn so với thủ công: năng suất cao, tỷ lệ cây sống và tốc độ tăng trưởng sau khi trồng cao … Tuy nhiên, cho đến nay tỷ lệ áp dụng cơ giới hoá vào chuẩn bị đất lâm nghiệp còn rất thấp. Một trong những nguyên nhân là phần lớn đất lâm nghiệp có độ dốc cao, trong khi liên hợp máy kéo và máy làm đất (gọi tắt là LHM) làm việc trên đất dốc có khả năng ổn định ngang thấp.

Khả năng ổn định ngang của LHM thường được đánh giá theo độ trượt của xích trên nền đất theo phương dọc và ngang và độ dốc tối thiểu xẩy ra hiện tượng lật dọc hay ngang của LHM.

Thực tế cho thấy khả năng lật của LHM thường chỉ xẩy ra trên những độ dốc cao, trong khi hiện tượng trượt ngang có thể cảm nhận được ngay trên những độ dốc chỉ 5 độ đến 7 độ. Hiện tượng trượt ngang làm tăng tiêu hao công suất vô ích, giảm tính năng kinh tế kỹ thuật của việc sử dụng máy móc, làm tăng giá thành sản xuất.

Để tìm biện pháp hạn chế sự trượt ngang, nhằm mục tiêu nâng cao khả năng cơ giới hoá chuẩn bị đất trên sườn dốc, trong thời gian qua chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu hiện tượng trượt ngang của LHM khi làm đất trên sườn dốc. Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình đồng dạng và thực nghiệm trên liên hợp máy thực tại đất rừng thuộc Trung tâm Khoa học và Sản xuất Lâm nghiệp Đông Bắc bộ.

1. Nội dung nghiên cứu trượt ngang của LHM

Sự trượt ngang của LHM là sự trượt của xích với nền, phụ thuộc vào khả năng bám của xích trên nền và sự cứng vững của lớp đất dưới mặt tựa xích. Có thể chia sự trượt ngang ra ba trường hợp như sau:

– Truợt mặt ngoài, do lực bám xích và mặt nền không đủ lớn; sự trượt mặt ngoài có thể xẩy ra theo phương ngang với các loại xích thông thường chỉ có mấu cản theo chiều dọc. LHM không thể làm việc được nếu bị trượt trơn mặt ngoài

– Trượt do biến dạng của lớp đất bề mặt khi chịu lực, moment từ xích truyền đến, là dạng chủ yếu và thường xẩy ra.

– Trượt trên lớp đất tơi vụn hoặc phủ lớp vật liệu rời, các phần tử đó trượt với nhau tạo nên sự trượt của LHM với vận tốc lớn. Đây là hiện tượng thường xảy trên những sườn đồi xói mòn lâu năm trơ sỏi đá, hoặc xẩy ra cục bộ trên những đám đất bị xới nát hoặc phủ xác cây cỏ bỏ lại từ công đoạn dọn thực bì.

Bài báo này trình bày hiện tượng trượt do biến dạng của lớp đất dưới mặt tiếp xúc với xích, còn được gọi là “sự trượt trên nền đất đàn hồi”.

a/ Cơ sở nghiên cứu sự trượt ngang do biến dạng của đất

Khi chuyển động trên sườn dốc, LHM chịu tác động của các lực và moment ngang, trong đó phân lực trọng lượng bản thân của LHM theo hướng xuống dốc (G.sinb) là nguyên nhân ban đầu. Do xích bám chặt vào đất nên các lực và moment nói trên truyền từ xích máy kéo vào đất, gây ra biến dạng của đất dưới vết tiếp xúc, dẫn đến sự chuyển dịch của LHM, có nghĩa là giá trị chuyển dịch của xích, tức là của LHM, đúng bằng giá trị biến dạng của đất tại vết tiếp xúc.

Sự biến dạng của đất làm phát sinh ứng suất tiếp trong đất cản lại biến dạng. Theo nghiên cứu của tiến sĩ M.G. Bekker; ứng suất cản tvà biến dạng y quan hệ theo công thức:

(1)

Trong đó ymax là biến dạng cực đại của đất, m;

t_max: ứng suất tiếp cực đại của đất khi bị biến dạng, N/m²;

Công thức (1) phức tạp do tính phi tuyến của nó, có thể đơn giản bằng cách sử dụng đoạn tuyến tính của quá trình biến dạng với công thức:

(2)

Trị số k_t(kN/m³) là hệ số đặc trưng giá trị ứng suất (kN/m²) sinh ra khi đất bị biến dạng (m), xác định bằng thực nghiệm.

b/ Độ lớn của trượt ngang do biến dạng của đất

Sự chuyển dịch của LHM trên nền là do các lực và moment bên ngoài gây nên, bao gồm:

– Phân lực trọng lượng G của liên hợp máy trên nền có độ dốc b;

– Các phản lực của đất tác động theo phương nằm ngang thân cày PCY;

– Moment lực cản lăn và các moment do các ngoại lực nói trên tạo nên;

Tổng lực gây chuyển dịch trượt ngang là tổng lực theo phương O₁Y₁:

SPY = G.sinb.cosj- PCY (3)

và tổng moment quay SMZ tính với tâm áp lực K là:

SMZ = Mcl + (a +e).G.sinb. cosj – (lC –e).PCY (4)

Trong đó Mcllà moment sinh ra do chênh lệch lực cản lăn tại hai giải xích ;

a : khoảng cách trọng tâm máy kéo O đến điểm giữa xích I (xem hình 1);

e : độ lệch tâm áp lưc K, so với điểm giữa mặt tựa xích I (xem hình 1);

Dưới tác dụng của các lực và moment ngoại lực nói trên, LHM bị chuyển dich ngang (Y₁) và chuyển dich góc (j). Sử dụng các tính toán và lý thuyết cơ học , có thể xác định được vận tốc các chuyển dịch đó theo công thức:

(5)

(6)

với các hằng số: (7)

(8)

Trong đó Vthlà vận tốc chuyển động dọc trục máy kéo, có tính đến trượt dọc của xích;

bx, lx, Cx: bề rộng, chiều dài tưa và khoảng các tâm của hai giải xích.

Công thức (5) và (6) cho thấy:

– Độ lớn chuyển dịch ngang Y₁ tăng khi tăng tổng lực ngang SPY, chuyển dịch góc j tăng khi tăng tổng moment SMZ;

– Chuyển dịch Y₁ và j tăng khi đặc trưng ứng suất k_t của đất giảm;

– Chuyển dịch Y₁ và jgiảm khi chiều dài tựa lX, bề rộng bX và khoảng tâm CX của xích tăng.

Hình 1. Sơ đồ mặt bằng các lực và moment của liên hợp máy khi cày trên sườn dốc

Tích phân hai phương trình (5) và (6) theo thời gian t sẽ được tổng chuyển dịch ngang (Y₁) và xoay (j) của LHM sau thời gian t nào đó. Do chuyển dịch ngang và xoay góc, chuyển động của LHM sẽ bị lệch với hướng đi ban đầu Y, được xác định theo hệ phương trình:

(9)

(10)

c/ Kết quả nghiên cứu trượt ngang do biến dạng của đất

Xét bài toán trên LHM Komatsu D65A-8, lắp 2 thân cày làm việc trên vùng đồi miền Bắc, khi không tác động vào hệ thống lái: Hình 2 trình bày quỹ đạo LHM làm việc ngang sườn dốc 15^o, 2 thân cày sâu 0,55m, quỹ đạo của LHM là một đường cong hướng xuống chân dốc. Đồ thị cho thấy sau 100 giâykhởi hành, LHM bị xoay góc 15,63^o và độ lệch tổng cộng theo phương ngang là 12,28m.

Hình 2. Quỹ đạo chuyển động của D65A-8 lắp 2 thân cày sâu 0,55m, trong 100s đầu tiên.

Xét theo độ dốc, kết quả cho thấy khi độ dốc tăng, giá trị chuyển dịch xoay (j) và chuyển dịch xuống dốc (Y) đều tăng; đó là do xê dịch ngang và dịch chuyển xoay đều phụ thuộc rất nhiều vào độ dốc. Độ dốc là nguyên nhân chính gây ra sự trượt ngang của LHM trên sườn dốc.

Xét ảnh hưởng của chiều sâu cày tới giá trị trượt ngang ta thấy khi chiều sâu hC tăng, dẫn đến độ lệch tâm e tăng, moment xoay MZtăng, làm góc lệch hướng jtăng, kết quả dịch chuyển ngang (Y) tăng.

2. Kết luận

Trượt ngang là hiện tượng luôn xẩy ra đối với LHM làm đất trên sườn dốc, gây khó khăn cho việc áp dụng cơ giới hoá vào công việc chuẩn bị đất canh tác nông lâm nghiệp. Biện pháp hạn chế sự trượt ngang của LHM khi làm đất trên sườn dốc là:

– Để tránh trượt mặt ngoài, không nên để máy làm việc trên độ dốc quá cao hoặc khi nền đất trơn ướt;

– Để tránh trượt trên lớp vật liệu rời, cần tránh cho xích đi trên vết xích trước hoặc trên đất đã cày, hạn chế làm tơi vụn đất trước khi cày; các biện pháp này nhằm đảm bảo độ bám của xích khi làm việc;

– Để hạn chế sự trượt do biến dạng, cần tránh làm đất khi đất bề mặt quá mềm; đồng thời cần lựa chọn máy kéo có diện tích mặt tựa xích (bx, Cx, lx) lớn, khoảng cách trụ cày đến tâm mặt tựa xích (lx) nhỏ.

Việc hạn chế sự trượt ngang sẽ giúp nâng cao khả năng sử dụng máy móc thiết bị trong chuẩn bị đất canh tác nông lâm nghiệp trên sườn dốc, góp phần đẩy nhanh tốc độ phủ xanh đất trống đồi núi trọc.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Hữu Cẩn, Pham Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Dư Quốc Thịnh (1978), Lý thuyết ô tô máy kéo, giáo trình Đại học Bách khoa Hà Nội, Nhà xuất bản ĐH và THCN, Hà Nội.

2. Manfred Steene (1979), Phân tích tổng hợp và tính toán đường cong lực chủ động – Độ trượt của bánh máy kéo trên đất biến dạng. Luận án tiến sĩ, Cộng hoà dân chủ Đức.

Summary

Horizontal slide is an occurrence when bulldozer are moving horizontally on the slope; bulldozer is normally turned horizontally and redirected as a result of soil layers beneath the chain contacted tracks, sometimes slide of chain against the ground occurs as a result of weak cling to its ground or the soil surface turned up. The occurrence exerts harmful influence on the technical parameters of bulldozer. In order to reduce the occurrence, it is necessary to apply proper soil making processes and to select proper tractors and soil cultivation machines.