Nguyễn Can

Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam

Phương tiện cơ giới hoá được sử dụng trong làm đất trồng rừng ở miển Bắc nước ta thường là máy kéo xích công suất lớn liên hợp với lưỡi ủi hoặc dàn cào và dàn cày ngầm; Độ sâu cày cần đạt được từ 0,4-0,7m, hiện trường làm đất có độ dốc trên 10 độ. Trong điều kiện làm việc nặng nề nói trên, các quá trình động lực học của liên hiệp máy diễn ra rất phức tạp.

Khi nghiên cứu động lực học của liên hợp máy làm đất trồng rừng, phương pháp thử nghiệm trên vật thực và hiện trường thực rất khó thực hiện vì chi phí thử nghiệm lớn và có thể xẩy ra tai nạn cho người và máy nếu độ dốc, vận tốc… khi thử nghiệm vượt quá giới hạn an toàn.

Để khắc phục khó khăn này, chúng ta có thể sử dụng phương pháp nghiên cứu trên mô hình đồng dạng: Phương pháp nghiên cứu mô hình là phương pháp nghiên cứu các hiện tượng của một vật thực, thông qua việc nghiên cứu các hiện tượng xẩy ra trên mô hình của nó. Các đại lượng của các hiện tượng đo được trên mô hình sẽ dùng để suy ra các đại lượng trên vật thực.

Trong quá trình nghiên cứu vấn đề “Sự dịch chuyển ngang và xoay của liên hợp máy khi cày ngầm trên sườn dốc“, chúng tôi đã xây dựng và sử dụng một mô hình đồng dạng liên hợp máy kéo và hiện trường; Mô hình được sử dụng thuộc loại “Đồng dạng động lực học một phần”.

1. Phương pháp tính toán thiết kế mô hình đồng dạng

Cơ sở tính toán mô hình đồng dạng là lý thuyết thứ nguyên và lý thuyết mô hình. Kháiniệm ban đầu dùng trong đồng dạng là “Chuẩn số đồng dạng”(ký hiệu là P_k), là tỷ số giữa một đại lượng (ký hiệu là Ak) nào đó với một hay tập hợp đại lượng khác (ký hiệu là Ak_’) của các hiện tượng xẩy ra.

P_k= Ak / Ak_’ (1)

Để đảm bảo yêu cầu đồng dạng, các chuẩn số đồng dạng của mô hình (ký hiệu là P_kM) và vật thực (ký hiệu là P_kV) phải đồng nhất (P_kM= P_kV). Tuy nhiên khi mô hình thuộc loại đồng dạng không toàn phần, thì chỉ có một số chuẩn số đồng nhất. Với mô hình đồng dạng động lực học, sự đồng nhất của các chuẩn số động lực học yêu cầu phải được đảm bảo.

Để biểu diễn đơn vị đo lường của một đại lượng nào đó, chúng ta có thể sử dụng “Công thức thứ nguyên” (ký hiệu là T):Thứ nguyên của đại lượng nào đó có thể biểu diễn thành công thức theo ba đơn vị cơ bản là khối lượng (kg), chiều dài (m) và thời gian (s). Ví dụ gọi Ag là đại lượng gia tốc chuyển động thẳng (thứ nguyên là kg.m/s²), công thức thứ nguyên là:

Tg = kg¹.m¹.s^-2

“Hệ số đồng dạng“(ký hiệu là Hk)của một đại lượng Ak nào đó, là tỷ lệ giữa đại lượng AkN nào đó của vật thực với cùng đại lượng đó AkM của mô hình:

Hk = AkN / AkM (2)

Hệ số đồng dạng Hk là cơ sở để xác định các thông số kết cấu (kích thước, khối lượng, công suất động cơ … của mô hình trên cơ sở của vật thực đã có, đồng thời để chuyển đổi số liệu nghiên cứu trên mô hình sang vật thực.

Cách tìm các hệ số đồng dạng Hknhư sau: Theo lý thuyết đồng dạng và mô hình, hệ số đồng dạng Hk của một đại lượng Ak nào đó, có thể suy ra từ hệ số đồng dạng cơ bản (ký hiệu là Ha, Hb, Hc) của ba đại lượng cơ bản Aa, Ab, Acchọn trước, sau khi đã nâng lên một luỹ thừa (số mũ ik, jk, qk) nhất định:

Hk = Haik. Hbjk. Hcqk(3)

Đẳng thức trên vẫn đúng nếu ta thay các hệ số đồng dạng H của mỗi đại lượng A bằng các công thức thứ nguyên T tương ứng:

Tk = Taik. Tbjk. Tcqk(4)

Đẳng thức (4) phải thoả mãn hai điều kiện sau:

– Các số mũ trong công thức thứ nguyên Ta, Tb, Tc của ba đại lượng cơ bản phải tạo thành một định thức khác không:

– Các số mũ ik,jk, qk phải làm cho tổng số mũ của ba đơn vị cơ bản (kg, m, s) ở hai vế của đẳng thức (4) bằng nhau.

2. Tính toán mô hình đồng dạng cho Đề tài

Các đại lượng cần tìm của mô hình trong Đề tài nghiên cứu là chuyển động dọc, ngang và xoay của liên hợp máy trên mặt đất (x, y, j), chúng là hàm số của các đại lượng đầu vào gồm: Trọng lượng của toàn liên hợp máy (G), giatốc rơi tự do (g), các kích thước dài của liên hợp máy (B), vậntốc liên hợp máy (V), các lực của môi đất tác động vào liên hợp máy (P) v.v.

Chọn ba đại lượng cơ bản cho việc tính toán là: Gia tốc rơi tự do g, trọng lượng G, kích thước dài B. Giá trị ba hệ số đồng dạng cơ bản được chọn như trong biểu 1.

Từ các hệ số đồng dạng cơ bản đã chọn, theo cách nêu trên ta sẽ tính được các giá trị của hệ số đồng dạng Hkkhác, kết quả nêu trong biểu 1:

Biểu 1 Xác định các hệ số đồng dạng Hk của mô hình

TT	Đại lượng (Ak)	Hệ số đồng dạng (Hk)	Đẳng thức (3) Hk =gh^ik.Gh^jk.Bh ^qk	Hệ số Hk
1	Gia tốc rơi tự do g	gh	Chọn	1
2	Trọng lượng G	Gh	Chọn	0,001
3	Kích thước dài B	Bh	Chọn	0,1
4	Gia tốc x” , y”	x”_h, y”_h	x”_h = y”_h = gh	1
5	Hệ số cản mấu xích k	kh	kh = Gh / Bh ²	0,1
6	Vận tốc lý thuyết Vlt	Vh	Vh =(gh.Bh) ^0.5	0,32
7	Hệ số bám với xích trơn w	wh	wh = 1	1
8	Ngoại lực tác động P	Ph	Ph = Gh	0,001
9	Góc nghiêng nền đất b	b_h	b=1	1
10	Khối lượng M	Mh	Mh = Gh / gh	0,001
11	Gia tốc chuyển vị xoay j”	j”_h	j”_h= gh / Bh	10
12	Công suất động cơ N	Nh	Nh = Gh.(gh.Bh)^0.5	0,0032
13	Thời gian t	th	th = (Bh/gh) ^0.5	0,32

3. Thiết kế chế tạo mô hình

Vật thực được lựa chọn là liên hợp máy Komatsu D65 A-8, các thông số chính sau khi tính toán nêu trong biểu 2.

Kết cấu của mô hình là một vật có thể tự chuyển động trên mặt nền, với các cụm như sau:

– Khung thép là cơ sở để lắp đặt các cụm của mô hình;

– Động cơ điện là động lực của mô hình liên hợp máy;

– Cơ cấu truyền động: Chuyển động của động cơ điện được truyền qua hai cặp bánh răng và một đôi pu ly đai tới hai trục của bánh sao chủ động. Tỷ số truyền đảm bảo vận tốc trung bình của mô hình là 0,32 m/s;

– Cơ cấu di chuyển: Hai bánh sao dẫn động hai giải xích hai bên, mỗi giải xích được căng bởi một bánh căng xích;

– Cơ cấu công tác: Phía trước khung là hình tượng trưng của cụm cào, phía sau khung lắp một giá đặt có thể lắp 01 – 03 trụ cầy, chiều sâu trụ cầy có thể điều chỉnh được;

Biểu 2. Các thông số chính của mô hình Komatsu D 65A-8

T T	Tên thông số (Ak)	Thứ nguyên	Hệ số Hk	Giá trị Ak
Tên	Giá trị	Vật thực	Mô hình
1	Chiều dài max của LHM	m	Bh	0,1	6,680	0,668
2	Chiều rộng max của LHM	m	Bh	0,1	3,590	0,359
3	Khối lượng toàn bộ LHM	kg	Mh	0,001	18000	18
4	Tốc độ lý thuyết Vlt	m /s	Vh	0,32	1	0,32
5	Tỉ số truyền động cơ /bánh sao	1	24,2
6	Công suất thực của động cơ	kg.m² /s³	Nh	0,200

Mô hình của liên hợp máy là phần chủ yếu của mô hình; Ngoài ra còn mô hình của nền đất, có tính toán và thiết kế đơn giản hơn, có hai phương án mô hình nền là:

– Nền thực trên hiện trường thu nhỏ với đất nền được cải tạo cho bằng phẳng, loại trừ vật cản bất ngờ, và giảm độ cứng đất.

– Sàn đặt trên giá có thể thay đổi độ dốc, đổ đất đã cải tạo và tinh lọc.

Hình 1. Mô hình liên hợp máy sau khi chế tạo

4. Kết luận

Mô hình đồng dạng của liên hợp máy kéo xích Komatsu D65A –8 đã được chế tạo tại Viện Khoa học Lâm nghiệp và thử nghiệm trên mô hình hiện trường thu nhỏ tại trường Đại học Lâm nghiệp vào đầu năm 2002. Kết quả khảo nghiệm trên mô hình đồng dạng đã bổ xung cho kết quả thí nghiệm trên liên hợp máy thực, và kiểm nghiệm kết quả tính toán trên mô hình toán học, khi nghiên cứu động lực học của liên hợp máy kéo xích khi làm đất trồng rừng trên sườn đất dốc.

Kết quả thí nghiệm cho thấy mô hình làm việc tốt và chi phí thí nghiệm thấp hơn nhiều so với thí nghiệm trên liên hợp máy thực.

Tài liệu tham khảo chính:

Phạm Văn Lang: “Đồng dạng- Mô hình- Thứ nguyên ứng dụng trong kỹ thuật cơ điện nông nghiệp”, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội 1996;
“Các Phương pháp nghiên cứu khoa học’, Giáo trình Đại học Bách khoa, Hà Nội, 1993;

3. Các katalor sử dụng và phụ tùng máy kéo KOMASHU D 65 – A8;

?. ?. ????? – ??????????? ???????? ?????????????????? ????????? – ????????? 1970.

Summary :

One Dummy tractor was calculated and manufactured for studying of dynamics of track tractors, which are operating on slope site of Forest’s activities.

Unit theory and similar theory serve as a base for the calculation of dummy’s similar coefficient. Similar coefficients are calculated on the basis of analysis and comparison between triple exponents of base unit (kilogram, meter, second) with their three initially selected quantities. Initial results of the experiment show that Dummy worked well and costs of the experiment were much lower, compared to those of real tractor.