Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm xác định được mức độ ảnh hưởng, quy luật ảnh hưởng của vận tốc cáp kéo và tải trọng đến các chỉ tiêu nêu trên, từ đó xác định trị số tối ưu của vận tốc và tải trọng để đạt được năng suất cao và chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất. Mời các bạn cùng tham khảo!
Tình hình sử dụng máy kéo trong nông, lâm nghiệp ở nước ta
Thực hiện Nghị quyết Đại hội Đảng Cộng sản Việt Nam lần thứ XI, công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước được đẩy mạnh với mục tiêu đến năm 2020 trở thành nước công nghiệp hiện đại Để đạt được mục tiêu này, giải quyết các vấn đề nông nghiệp và nông thôn là ưu tiên hàng đầu Hiện nay, 70% dân số Việt Nam sống ở nông thôn, trong đó 68% phụ thuộc vào sản xuất nông, lâm, thủy sản, điều này tạo ra nhu cầu lớn về máy móc phục vụ cho cơ giới hoá.
Trong những năm gần đây, thực hiện chủ trương của Đảng và Nhà nước về công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp và nông thôn đã thúc đẩy quá trình chuyển dịch cơ cấu nông nghiệp Việc gắn kết cơ khí hóa với sản xuất nông nghiệp không chỉ nâng cao năng suất và chất lượng nông sản mà còn cải thiện hiệu quả và sức cạnh tranh trên thị trường, từ đó nâng cao trình độ cơ giới hóa trong lĩnh vực này.
Hiện nay, cả nước ta có hơn 400 nghìn máy kéo với tổng công suất khoảng 4,5 triệu mã lực, tăng 2,7 lần so với năm 2001 Trong đó, máy kéo hai bánh dưới 12 mã lực chiếm 67,5%, máy kéo từ 12-35 mã lực chiếm 26,5%, và máy kéo lớn trên 35 mã lực chỉ chiếm khoảng 6% Bình quân, mỗi ha canh tác được trang bị 1,16 mã lực/ha Tuy nhiên, mức độ trang bị động lực khác nhau giữa các vùng, với đồng bằng sông Cửu Long có trang bị cao nhất đạt 1,85 mã lực/ha, trong khi miền núi phía Bắc có trang bị thấp nhất chỉ 0,39 mã lực/ha.
Sự chuyển đổi trong chính sách sản xuất nông nghiệp đã dẫn đến việc chuyển nhượng quyền sở hữu từ doanh nghiệp nhà nước sang sở hữu tư nhân và hộ gia đình Những đối tượng này có tiềm năng lớn trong việc áp dụng máy móc vào sản xuất, giúp hàng nghìn máy kéo và máy nông nghiệp đến tay nông dân Đặc biệt, nhiều loại máy kéo cỡ nhỏ đã được nhập khẩu với số lượng lớn từ Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc vào Việt Nam.
Các loại máy kéo được sử dụng tại Việt Nam đã đóng góp tích cực vào quá trình cơ giới hóa trong sản xuất nông nghiệp Trong những năm gần đây, tỷ lệ cơ giới hóa làm đất trung bình toàn quốc đạt 63,8%, với khu vực đồng bằng sông Cửu Long dẫn đầu với 87%, Đông Nam Bộ đạt 75%, và đồng bằng sông Hồng cùng duyên hải Nam Trung Bộ trên 65% Các khu vực khác có tỷ lệ cơ giới hóa xấp xỉ 41%.
Do điều kiện kinh tế nông thôn còn nhiều khó khăn, việc áp dụng các kỹ thuật công nghệ mới đắt tiền gặp nhiều hạn chế Do đó, cơ giới hóa và hiện đại hóa sản xuất đòi hỏi nhiều vốn đầu tư và thời gian Nhu cầu cải thiện đời sống của người dân, đặc biệt ở vùng nông thôn miền núi, ngày càng tăng, trong khi cơ hội tiếp xúc với công nghệ hiện đại còn hạn chế Vì vậy, nghiên cứu cải tiến và áp dụng các công nghệ sẵn có là rất cần thiết.
Nhu cầu sử dụng máy kéo cỡ nhỏ trong nông nghiệp đang gia tăng, nhưng do tính chất thời vụ của sản xuất nông lâm nghiệp, máy móc thường có thời gian nhàn rỗi lớn Để tối ưu hóa hiệu quả đầu tư và sử dụng máy kéo, cũng như tạo thêm việc làm cho người lao động, máy kéo tại Việt Nam không chỉ phục vụ trong nông nghiệp mà còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như vận tải và xây dựng Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam đã được thực hiện nhằm cải tiến và mở rộng phạm vi sử dụng máy kéo, giúp chúng phù hợp hơn với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.
Có thể kể đến một số công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này nhƣ:
Nguyễn Nhật Chiêu, vào năm 1994, đã thành công trong việc nghiên cứu một đề tài cấp nhà nước KN03-04 với chủ đề “Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm thiết bị vận xuất, bốc dỡ, vận chuyển phục vụ khai thác gỗ nhỏ rừng trồng” Đề tài này sử dụng máy kéo nông nghiệp MTZ 50, kết hợp với máy trang bị rơ moóc một trục, tời cơ học, và cơ cấu nâng đầu bó gỗ được dẫn động bằng thủy lực.
Năm 1997, nhóm giảng viên bộ môn Máy lâm nghiệp đã thiết kế và chế tạo thiết bị tời cơ khí một trống kết hợp với cần treo gỗ hình chữ A, lắp đặt trên máy kéo DFH 180 để vận chuyển gỗ từ rừng trồng.
- ThS Nguyễn Văn An trong công trình [1] đã xác định bằng lý thuyết các chỉ tiêu kéo, bám của máy kéo nông nghiệp khi làm việc ở vùng núi dốc
TS Đậu Thế Nhu đã cải tiến và chế tạo thành công máy kéo MKS với công suất 18 HP, đáp ứng yêu cầu trong chăm sóc mía Ngoài ra, ông cũng phát triển hệ thống thiết bị hỗ trợ công tác chăm sóc mía giữa hàng, với các đặc tính kỹ thuật như điều chỉnh độ sâu phay và độ vun cao luống, phù hợp với yêu cầu nông học.
TS Phạm Minh Đức đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kéo bám của máy kéo DFH 80 khi vận chuyển gỗ bằng rơ moóc một trục, xem xét sự hoạt động phi tuyến của động cơ với tải trọng và kết cấu moóc thay đổi Nghiên cứu này không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng máy kéo DFH 180 mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc tính toán các phần tử trong kết cấu moóc một cách hợp lý.
Máy kéo cỡ nhỏ đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp nông thôn Việt Nam, đồng thời cũng đang được nghiên cứu để mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Tình hình nghiên cứu và sử dụng tời trên thế giới và trong nước
1.2.1 Tình hình trên thế giới
Tời là thiết bị vận xuất gỗ phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt trong khai thác lâm sản, nơi nó được sử dụng để bốc, xếp, và kéo gỗ Tại các quốc gia có nền công nghiệp rừng phát triển như Mỹ, Canada, và các nước châu Âu như Áo, Thụy Sỹ, Na Uy, và Nga, việc nghiên cứu và cải tiến tời đã được chú trọng từ những năm 1920 Mục tiêu chính là nâng cao năng suất lao động và giảm chi phí vận xuất Tại Mỹ và Canada, tời được sử dụng rộng rãi ở vùng núi cao, và thường xuất hiện trước khi máy kéo được áp dụng Hệ thống vận xuất gỗ bằng tời, hay còn gọi là hệ thống đường cáp khai thác gỗ, đã thúc đẩy sự phát triển song song giữa tời và công nghệ đường cáp vận xuất.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo tời tự hành lắp trên máy kéo bánh bơm hoặc máy kéo bánh xích đang được áp dụng thay thế cho tời cố định Các hãng sản xuất tời cáp hàng đầu của Mỹ như Sketjet Berger, Timberland và Veirhozer đã phát triển tời cáp tự hành Wowniton 108 với tời 3 trống công suất lớn.
Máy kéo bánh bơm hoặc máy kéo bánh xích được trang bị cột tời cao 15m và dây cáp nối thành vòng kín, cho công suất 320 mã lực Các loại tời cáp tự hành của hãng Ckedjet như GT5C, GT5D, GT4 rất hiệu quả trong việc vận chuyển ở cự ly 200-300m, với diện tích khai thác mỗi lô lên tới 15-16ha trong một ca làm việc.
350 cây gỗ Việc sử dụng tời tự hành làm giảm công di chuyển, lắp đặt tời dẫn đến giảm giá thành vận xuất
Nghiên cứu thay thế việc buộc gỗ bằng cơ cấu ngàm kẹp thay cho buộc gỗ bằng dây cáp
Nghiên cứu của Viện FERIC (Mỹ) cho thấy việc sử dụng tời cáp tự hành Medill 044 và American 7250 với ngàm kẹp gỗ trong khai thác gỗ của Công ty Maxmilan Broedel đạt năng suất 210m³/ca ở cự ly 113m Thể tích trung bình của khúc gỗ là 0,3-0,5m³, với thời gian kéo mỗi chuyến từ 0,95 đến 1,34 phút Sử dụng ngàm kẹp gỗ đã giúp tăng gấp đôi năng suất và cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân vận xuất.
Việc sử dụng ngàm kẹp gỗ kết hợp với hệ thống điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến đã được nghiên cứu và áp dụng bởi các hãng sản xuất như Jonson Ind LTD (Canada) Hệ thống MK11 đã giúp tăng năng suất khai thác gỗ lên gấp đôi, đạt 58 khúc gỗ/giờ so với mức 30-38 khúc gỗ/giờ trước đây Tại các nước Châu Âu như Na Uy, Thụy Sỹ, Áo, Pháp và Thụy Điển, do điều kiện tự nhiên và rừng khác biệt so với Mỹ và Canada, hệ thống tời cáp chỉ được sử dụng ở những khu vực mà máy kéo không thể hoạt động Phương pháp khai thác chủ yếu ở đây là chặt chọn hoặc chặt tỉa thưa, với sản lượng gỗ trên 1ha thấp và kích thước gỗ nhỏ, do đó tời tự hành có công suất nhỏ đang được nghiên cứu và áp dụng.
Hãng sản xuất nổi tiếng Igland A/C (Na Uy) đã cho ra mắt các loại tời nông nghiệp, bao gồm tời một trống Primett 4000LH với lực kéo 45kN và tời hai trống 8002F với lực kéo 80kN, có khả năng lắp đặt trên nhiều loại máy kéo Sản phẩm của họ đã được xuất khẩu sang 25 quốc gia trên toàn thế giới.
Hãng Kufer (Pháp) chuyên sản xuất tời tự hành MF10, MF15 và MF25, phù hợp lắp đặt trên máy kéo bánh lốp 3 hoặc 4 bánh Các sản phẩm này có công suất từ 16ml đến 31ml, lực kéo đạt 37.000N và tốc độ cuốn dây cáp từ 0,2 đến 2,1 m/s.
Các kiểu tời tự hành của hãng Sépon, Koska (Thụy Điển), Kracer (Áo) và Opvallden (Thụy Sỹ) với lực kéo lên tới 30.000N và tốc độ cuốn cáp từ 0,3 đến 2,5 m/s là những mẫu tời 2 trống tiêu biểu của châu Âu Tại Nga, tời vận xuất gỗ đã được áp dụng từ thế kỷ 19, với những thiết kế và chế tạo nổi bật của các kỹ sư N.Sutrenco (1878) và I.A Vasiliev (1890).
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo tời đã được thực hiện bởi các viện nghiên cứu lớn như Viện nghiên cứu cơ giới hoá và năng lượng (XNipMe) và các viện lâm nghiệp Xiberi và IRờcutsk trong nhiều năm qua Đặc biệt, để vận xuất gỗ ở địa hình bằng phẳng dưới 500m và địa hình dốc dưới 2000m, Viện nghiên cứu cơ giới hoá năng lượng đã phát triển các mẫu tời TL.3, TL.4, TL.5 Kết quả nghiên cứu cho thấy, các loại tời này không chỉ giảm thiểu sự phá hoại cây con và đất mà còn mang lại nhiều lợi ích khác như giảm công sửa chữa từ 2-3 lần, tiết kiệm 50-60% chi phí nhiên liệu, và giảm giá thành ca máy xuống 1,5 lần so với việc sử dụng máy kéo trong điều kiện khai thác gỗ với thể tích trung bình 0,2m³ và sản lượng 150m³/ha ở cự li vận xuất 500-550m.
Tời cố định LL12A và LL-8 đã được cải tiến để thay thế các mẫu tời cũ, với lực kéo tăng từ 20-30% và tốc độ cuốn cáp tăng từ 25-40% Việc trang bị thêm hộp số cho phép đổi chiều quay của trống tời và giảm tốc độ, từ đó mở rộng phạm vi sử dụng của tời.
Từ thập kỷ 80, nghiên cứu chế tạo tời di động thay thế cho tời cố định đã phát triển mạnh mẽ, với các mẫu tời tự hành nhỏ như loại do chi nhánh KiaVKazơ của Viện nghiên cứu cơ giới hoá năng lượng Nga chế tạo, có dung tích chứa cáp 1000m, lực kéo 21.000N và tốc độ cuốn cáp từ 0,3 đến 4,3m/s, lắp trên máy kéo T40A Các mẫu tời LC.2, LL-20 do chi nhánh Irơcut của Viện XnipMe nghiên cứu cũng được lắp trên máy kéo TDT-55 và TT4, trong đó việc áp dụng hệ thống điều khiển từ xa cho tời di động đang được chú trọng nghiên cứu Mẫu tời LL-14 được khảo nghiệm tại Viện lâm nghiệp GoRiAtre – KlutreVXki cho thấy việc sử dụng điều khiển từ xa có thể giảm giá thành vận xuất tới 15% Tại Trung Quốc, các loại tời 2 trống và 3 trống như JS-0,4, JS 2 08, JS 2.3, JS 3-6, JZ.2-1,5 và JZ2-3, với lực kéo từ 4-30KN, tốc độ cuốn cáp từ 0,2-6m/s và cự li kéo từ 80-1000m, đang được sử dụng phổ biến trong vận xuất gỗ ở vùng núi.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Việt Nam có hai trung tâm nghiên cứu hàng đầu về khai thác gỗ, đó là Trường Đại học Lâm nghiệp và Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam Những cơ sở này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ khai thác gỗ bền vững từ những năm qua.
60 đến 90 của thế kỷ trước, đối tượng khai thác chính là rừng tự nhiên Các nghiên cứu tập trung vào một số hướng chủ yếu sau:
- Khảo nghiệm các thiết bị nhập nội phục vụ một số khâu sản xuất
Khảo nghiệm cưa xăng trong dây chuyền khai thác gỗ tại Tây Nguyên đã được thực hiện bởi Nguyễn Trọng Hùng vào năm 1982 Cùng năm, Nguyễn Văn Lợi đã nghiên cứu việc sử dụng máy kéo TT.4 để vận xuất gỗ, trong khi Nguyễn Kính Thảo vào năm 1984 đã đề xuất sử dụng máy kéo để vận chuyển gỗ.
- Nghiên cứu, chế tạo một số thiết bị cơ giới hoá khai thác gỗ: Nguyễn Kính Thảo: “Thiết kế máy kéo khung gập vận xuất gỗ L-35”; Lê Duy Hiền:
“Thiết kế đường cáp Visen vận xuất gỗ”; Viện khoa học Lâm nghiệp đã thiết kế, chế tạo rơ moóc chở gỗ dài, đường cáp vận xuất gỗ 1A…
Kể từ những năm 90 của thế kỷ trước, việc đóng cửa rừng tự nhiên đã dẫn đến sự chuyển hướng trong nghiên cứu, tập trung chủ yếu vào công nghệ và thiết bị khai thác rừng trồng Một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực này đã được phát triển.
Trịnh Hữu Lập đã hoàn chỉnh quy trình công nghệ vận xuất gỗ và vận chuyển gỗ từ rừng trồng Ông cũng thiết kế và lắp đặt hệ thống cáp kéo căng, giúp tối ưu hóa quy trình vận xuất gỗ.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến năng suất và chi phí năng lượng riêng của tời lắp sau máy kéo trong quá trình vận chuyển vật liệu xây dựng Qua đó, xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của vận tốc cáp kéo cùng tải trọng đến các chỉ tiêu này Kết quả cho thấy việc xác định trị số tối ưu của vận tốc và tải trọng là cần thiết để đạt được năng suất cao nhất và chi phí năng lượng riêng thấp nhất.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chi phí năng lượng riêng và năng suất khi sử dụng tời lắp sau máy kéo Shibaura SD-2843 để nâng hạ vật liệu xây dựng Các yếu tố ảnh hưởng đến nghiên cứu bao gồm vận tốc và tải trọng.
Đề tài này tiến hành thí nghiệm với hai thông số chính ảnh hưởng đến chi phí năng lượng và năng suất, bao gồm tải trọng và vận tốc cuốn cáp, với chiều cao nâng tải là 10m Thực nghiệm được thực hiện tại trường Đại học Lâm nghiệp.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu khoa học đƣợc chia ra:
Nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng; nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu lý thuyết nhằm thiết lập hệ thống quan điểm thông qua việc đưa ra các quy luật mới, và thích hợp nhất khi áp dụng cho các đối tượng và hệ thống có thể phân chia rõ ràng các hiện tượng và quá trình với bản chất vật lý tương đồng.
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là thu nhận kiến thức và dữ liệu khoa học thông qua việc tổ chức thực nghiệm và quan sát đối tượng Đối với các hệ thống phức tạp, nơi diễn ra nhiều hiện tượng và quá trình khác nhau, việc áp dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với lý thuyết tương ứng là sự lựa chọn hợp lý hơn.
Phân tích cho thấy rằng việc sử dụng phương pháp lý thuyết để xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến năng suất và chi phí năng lượng riêng sẽ đòi hỏi một nghiên cứu toàn diện với khối lượng công việc lớn Do đó, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được lựa chọn là hợp lý hơn Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm mà chúng tôi áp dụng không phải là thuần túy, mà là sự kết hợp hài hòa giữa lý thuyết và thực nghiệm, trong đó lý thuyết đóng vai trò làm cơ sở và định hướng ban đầu, giúp giảm bớt khối lượng công việc và rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm.
Trong nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp cổ điển cho phép nhà thực nghiệm chọn hướng nghiên cứu dựa trên kinh nghiệm và trực giác, tiến hành thí nghiệm với từng thông số được thay đổi trong khi giữ nguyên các yếu tố khác Tuy nhiên, phương pháp này chỉ tìm kiếm cái mới theo cách đơn định giữa các chỉ tiêu đánh giá và các yếu tố ảnh hưởng một cách riêng rẽ, dẫn đến việc không thể xác định chính xác mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố trong mối tương tác của chúng Do đó, mặc dù có các phương trình thực nghiệm đơn yếu tố, chúng không cung cấp kết quả chặt chẽ và không thể tìm ra phương án phối hợp tối ưu cho các yếu tố ảnh hưởng.
Với bài toán tìm kiếm điều kiện tối ưu thì phương pháp này không cho thấy hướng chuyển dịch của chúng Các thực nghiệm đó thuộc dạng thụ động
Việc áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu là cần thiết, vì đây là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại Phương pháp này sử dụng công cụ toán học một cách tích cực, với nền tảng là toán học thống kê Hai lĩnh vực quan trọng trong lý thuyết quy hoạch thực nghiệm bao gồm phân tích phương sai và phân tích hồi quy.
Qui hoạch thực nghiệm, theo nghĩa rộng, là tập hợp các tác động nhằm xây dựng chiến thuật thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng, bao gồm việc thu thập thông tin mô phỏng, phát triển mô hình toán học và xác định các điều kiện tối ưu Điều này diễn ra trong bối cảnh có thể đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng Một trong những ưu điểm nổi bật của qui hoạch thực nghiệm là khả năng tối ưu hóa quy trình nghiên cứu.
- Giảm đáng kể số lƣợng thí nghiệm cần thiết
- Giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phương tiện, vật chất
Hàm lượng thông tin được cải thiện rõ rệt nhờ vào việc đánh giá vai trò của sự tác động qua lại giữa các yếu tố, từ đó làm rõ ảnh hưởng của chúng đến hàm mục tiêu.
Nhận được mô hình toán học thực nghiệm cho phép đánh giá sai số thí nghiệm và xác định ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm với mức tin cậy cao.
Xác định điều kiện tối ưu đa yếu tố trong nghiên cứu có thể thực hiện chính xác thông qua các hàm toán học, hoặc áp dụng các phương pháp giải gần đúng để tìm kiếm tối ưu cục bộ, đặc biệt trong các thực nghiệm thụ động.
Nội dung nghiên cứu
Xây dựng tổng quan của đề tài, cơ sở lý luận cho đề tài từ đó xác định hướng làm làm thực nghiệm
Để xác định quy luật phân bố của đại lượng nghiên cứu, cần tiến hành thí nghiệm thăm dò và xây dựng các phân bố thực nghiệm Quy luật này có thể được khái quát hóa thành phân bố lý thuyết Một nhiệm vụ quan trọng là phát hiện quy luật phân bố khách quan từ tài liệu thu thập được, điều này đòi hỏi phải sắp xếp các trị số quan sát theo trật tự nhất định và thống kê các phần tử trong các khoảng xác định Để lập phân bố thực nghiệm, cần chia tổ ghép nhóm các trị số theo công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther, với a = 5.lgn và k = (x max - x min) / m.
Trong đó: a- Số tổ đƣợc chia; k- Cự ly tổ; xmax, xmin- trị số thu thập lớn nhất, bé nhất của đại lƣợng nghiên cứu
Xác định các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm:
Sai số trung bình mẫu:
Sai tiêu chuẩn: trường hợp mẫu lớn (n>30):
Phương sai mẫu là bình phương sai tiêu chuẩn: S 2
Phạm vi biến động: R= xmax-xmin (2.7) Độ lệch: Sk= 3 n
Nếu S k =0, thì phân bố là đối xứng;
Sk>0 thì đỉnh đường cong lệch trái so với số trung bình;
Sk0 thì đỉnh đường cong nhọn so với phân bố chuẩn
E x χ α 2 (k) thì luật phân bố của đại lƣợng nghiên cứu là phân bố chuẩn χα 2
(k) đƣợc xác định bằng cách tra bảng phụ lục 5[13], với k=n-1 là bậc tự do và mức ý nghĩa α=0,05
Việc xác định số lần lặp cho các thí nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của luật phân bố chuẩn Số lần lặp cần phải đủ lớn nhưng cũng phải tối thiểu để giảm bớt khối lượng thực nghiệm Công thức tính số lần lặp cho mỗi thí nghiệm dựa trên kết quả của thí nghiệm thăm dò là: m=Δ% Y τ S.
Trong đó: m- Số lần lặp; τ- Tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa φ=0,05;
∆%- Sai số tương đối, ≤5%; Ȳ- Giá trị trung bình của đại lƣợng nghiên cứu
1.1.1 2.4.2 Thực nghiệm đơn yếu tố
Nhiệm vụ chính của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số ảnh hưởng đã được phân tích trong chương 2, nhằm tìm ra thông số nào thực sự tác động đến các chỉ tiêu đánh giá Qua đó, nghiên cứu sẽ xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của các thông số này đối với chỉ tiêu quan tâm Thực nghiệm đơn yếu tố sẽ được tiến hành theo các bước cụ thể.
1 Thực hiện thí nghiệm với từng thông số thay đổi với số mức không nhỏ hơn 4, khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phương trung bình của phép đo giá trị thông số đó Số thí nghiệm lập lại n=3
2 Sau khi thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới năng suất và chi phí năng lƣợng riêng Đánh giá tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác đối với thông số cần xét là không có hoặc không đáng kể
Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất, [14] nhƣ sau: a Đánh giá tính đồng nhất của phương sai
Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren
Trong đó: s 2 max - Phương sai lớn nhất trong N thí nghiệm
Trong đó: m u - Số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm y ui - Giá trị của thông số tại điểm u y ui - Giá trị trung bình của thông số ra tại điểm u
1 i ui u m y y 1 u=1, 2, 3,…N (2.13) Ứng với N điểm thí nghiệm trong kế hoạch thực nghiệm ta có N phương sai S u 2
Trong đó luôn có giá trị S max 2
G tt - Chuẩn Kohren tính toán theo thực nghiệm
Trong đó bậc tự do ở tử số γ m 1 và ở mẫu số K=N (m-1) m: Số lần lặp lại ở thí nghiệm mà ở đó có phương sai cực đại m = m u
Giá trị thống kê chuẩn Kohren đƣợc tính sắn theo mức ý nghĩa , hoặc tự do và ký hiệu G b tra bảng [7]
Nếu G tt < G b thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm b Kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
Phương pháp đánh giá sử dụng chuẩn Fisher so sánh phương sai do thay đổi thông số với phương sai do nhiễu Khi tỷ số giữa hai phương sai lớn hơn giá trị lý thuyết trong bảng tiêu chuẩn F, điều này cho thấy sự khác biệt giữa các giá trị trung bình là đáng kể Như vậy, các thông số đầu vào có ảnh hưởng thực sự đến thông số đầu ra, vượt trội hơn so với ảnh hưởng ngẫu nhiên.
Giá trị tính toán của tiêu chuẩn F là tỷ số:
Trong đó: S 2 y - Phương sai do sự thay đổi thông số vào X gây nên
S e 2 - Ước lượng phương sai do nhiễu thực nghiệm gây ra
S 1 (2.16) y 0 - Giá trị trung bình chung của thông số đầu ra tính cho toàn bộ thực nghiệm
Bậc tự do của S 2 y là γ 1 =N-1; của S 2 e là γ 2 =N(m-1)
Giá trị thống kê của chuẩn F đƣợc tính sẵn theo mức ý nghĩa α=0,005, bậc tự do γ1, γ2 ở phụ lục 3 [7]
Nếu giá trị tính toán F nhỏ hơn F b, thì ảnh hưởng của các thông số vào là không đáng kể trong bối cảnh của các biến ngẫu nhiên Nguyên nhân là do thí nghiệm sử dụng các thông số không có ảnh hưởng rõ rệt hoặc bước biến đổi của các thông số quá nhỏ, dẫn đến hiệu ứng của chúng trở nên không đáng kể so với nhiễu.
Khi F > F b, các thông số đầu vào có ảnh hưởng đáng kể Do đó, cần xác định mô hình thực nghiệm đơn yếu tố để thực hiện các phân tích và dự báo cần thiết.
Nhờ vào sự hỗ trợ của máy tính và dữ liệu thu thập, chúng ta có thể xây dựng phương trình tương quan giữa hai chỉ tiêu đầu ra và các yếu tố đầu vào ảnh hưởng thông qua mô hình hồi quy Bước tiếp theo là kiểm tra tính tương thích của mô hình hồi quy này.
Phép kiểm tra này so sánh phương sai tuyển chọn S², được tạo ra từ sự chênh lệch giữa các giá trị tính toán theo mô hình và giá trị thực nghiệm, với phương sai Sₑ² do nhiễu gây ra, theo tiêu chuẩn Fisher.
Tính thích ứng của mô hình được xác định bởi tỷ số hai phương sai S²/S²e; tỷ số càng nhỏ cho thấy tính thích ứng càng mạnh, trong khi tỷ số lớn biểu thị tính thích ứng yếu Nếu vượt qua ngưỡng giá trị thống kê Fb, mô hình sẽ bị coi là không tương thích.
Phương sai do nhiễu tạo nên S 2 e là giá trị trung bình của các bình phương độ lệch nhiễu của các điểm thí nghiệm S 2 u
Phương sai tuyển chọn S 2 được tính theo công thức:
K * - Hệ số hồi quy có nghĩa
Y- Giá trị của đối số Y=F(X1, X2, ,Xn) tính theo mô hình hồi quy thay các bộ giá trị các thông số vào (X1, X2, ,Xn) ứng với mỗi điểm thí nghiệm U giá trị tính toán của chuẩn Fisher
So sánh giá trị F tt với giá trị lý thuyết theo bậc tự do γ1, γ2 cho thấy nếu F tt < F b, mô hình là tương thích Ngược lại, nếu F tt > F b, điều này chỉ ra sự vượt trội hệ thống của thống kê tập hợp ước lượng bởi S2 so với tham số tương ứng ước lượng bởi S e2 Sự khác biệt này không còn nằm trong phạm vi sai số ngẫu nhiên, mà có thể do sai số theo nhiễu và sự sai lệch không tương thích của mô hình so với đối tượng nghiên cứu.
Trong trường hợp này để có mô hình tương thích có thể chọn các giải pháp sau:
+ Phức tạp hóa mô hình bằng cách nâng bậc cao hơn
Lặp lại thí nghiệm với khoảng và mức biến thiên của các thông số vào nhỏ hơn e để đảm bảo độ chính xác Đồng thời, xây dựng đồ thị thể hiện ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến thông số đầu ra, giúp phân tích mối quan hệ giữa chúng một cách rõ ràng và trực quan.
Dựa vào mô hình thực nghiệm, chúng ta có thể xây dựng đồ thị thể hiện ảnh hưởng của các thông số đầu vào (X) đến các thông số đầu ra, bao gồm chi phí năng lượng riêng và năng suất của tời.
2.4.2.3 Thực nghiệm đa yếu tố Để sử dụng phương pháp thực nghiệm đa yếu tố cần có các điều kiện
Cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của máy kéo Shibaura SD-2843
Máy kéo Shibaura sở hữu hai cầu chủ động, giúp tăng cường khả năng kéo bám và di động, phù hợp cho việc vận chuyển trên địa hình khó khăn và dốc lớn Model Shibaura SD 2843 có công suất 28 mã lực và tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả, đi kèm với trục thu công suất loại phụ được bố trí phía sau, mang lại sự tiện lợi trong sử dụng.
Hình 3.1 Máy kéo Shibaura SD2843 Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của máy kéo Shibaura SD-2843
Chi tiết Đặc tính Giá trị Động cơ Diezel 4 kỳ, 3 xy lanh
Công suất cực đại ở 2600 v/p (mã lực) 28
Số vòng quay định mức của động cơ (v/p)
Số vòng quay của trục thu công suất (v/p)
Kích thước lốp trước DxB (mm) 640x180 Khoảng cách vết bánh trước (mm) 1070
Khoảng sáng cầu trước (mm) 280 Độ chụm của bánh trước (mm) 20
Cầu sau Kích thước lốp sau DxB (mm) 1020x260
Khoảng cách vết bánh sau (mm) 1000
Khoảng sáng cầu sau (mm) 340
Theo chiều dọc (đến cầu sau) (mm) 650
Theo chiều ngang (đến bánh trái) (mm) 62
Kích thước bao ngoài (mm) 3460x1250x1800 Khoảng cách giữa trục bánh trước và sau (mm)
Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Tầng số Số truyền
Vận tốc của máy kéo
Hộp số máy kéo đƣợc thiết kế thành 4 tầng, mỗi tầng gồm có bốn số truyền (ba số tiến và một số lùi).
Cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của tời lắp trên máy kéo Shibaura
Tời được lắp trên tấm thép đỡ gắn sau máy kéo Shibaura SD-2843 bằng 8 bulong, với đế tời chế tạo từ thép tấm và thép định hình có kết cấu hàn Hai ổ trục tời được đặt trên đế, trống tời kết nối với trục tời qua ổ lăn, cho phép trống quay tự do khi ly hợp ngắt Đầu trống tời lắp với đĩa xích bị động và đầu còn lại kết nối với trống phanh cùng bánh răng cóc Tời có khả năng cuốn 80 mét cáp đường kính 10mm, được dẫn qua ròng rọc chuyển hướng trên giá chữ A Momen quay truyền từ trục thu công suất của máy kéo qua bộ truyền xích đến trục tời và ly hợp, trong khi hành trình nhả cáp thực hiện bằng sức người khi ngắt trục thu công suất Để ngắt chuyển động quay của tời, có thể sử dụng bánh cóc hoặc nhấn côn.
Hình 3.2 Tời lắp sau máy kéo Shibaura SD2843
Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật của tời lắp sau máy kéo Shibaura SD-
Tốc độ cáp lớn nhất (m/s) 1,13
Trọng lƣợng tổng cộng (cả khung chữ A) (N) 1050
Tỷ số truyền của bộ truyền xích 2,13
Mô hình áp dụng sơ đồ công nghệ sử dụng tời một trống lắp trên máy kéo để nâng hạ vật liệu xây dựng
Dựa trên việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của bộ tời cáp trên máy kéo Shibaura để vận chuyển gỗ, chúng tôi đã xây dựng sơ đồ hoạt động cho bộ tời khi nâng hạ vật liệu xây dựng.
Hình 3.3 Sơ đồ tời cáp nâng hạ vật liệu xây dựng
1 Dây chằng; 2 Cần chữ A; 3 Ròng rọc chuyển hướng; 4 Vật liệu xây dựng (tải); 5 Dây cáp kéo; 6 Trống tời; 7 Máy kéo Shibaura SD2843
Nguyên lý hoạt động của hệ thống nâng vật liệu nhƣ sau:
Sau khi kiểm tra kỹ thuật của máy và hệ thống tời cáp, người lái máy khởi động thiết bị tại vị trí A, nơi công nhân nạp vật liệu vào khay chứa làm bằng thùng cao su Khi vật liệu đạt tải trọng Q, người lái máy điều khiển tời cáp nâng lên điểm B và dừng lại, sau đó phanh giữ để thợ phụ kéo tải Q vào sàn nhà Nhờ vào quả nặng ở đầu dây cáp, người lái máy đưa trống tời về vị trí O và móc cáp từ từ hạ xuống vị trí ban đầu A, sau đó chu kỳ làm việc tiếp theo lại bắt đầu.
Chi phí năng lƣợng riêng khi nâng hạ vật liệu
Chi phí năng lượng riêng là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng của thiết bị hoặc quy trình công nghệ Nó được xác định thông qua một công thức cụ thể, giúp người dùng hiểu rõ hơn về hiệu quả sử dụng năng lượng trong các hoạt động sản xuất.
Trong đó: W- Chi phí năng lƣợng cần thiết để nâng đƣợc khối lƣợng hàng M trong thời gian t;
M- Khối lƣợng hàng nâng đƣợc trong thời gian t
Chi phí năng lượng W có thể viết dưới công thức trên có thể biến đổi
Nđ- Công suất cần thiết của động cơ để nâng đƣợc tải trọng Q (KW);
Ntt- Năng suất giờ thuần tuý của thiết bị (khối lƣợng sản phẩm nâng đƣợc trong 1 giờ làm việc)
Để nâng cao khối lượng hàng Q mà động cơ máy kéo tạo ra lực kéo T qua trục thu công suất, cần cân bằng các loại lực cản như lực cản không khí, lực cản trong ổ trục ròng rọc chuyển hướng, lực cản cứng của cáp kéo khi vào trống tời, và lực cản trong ổ trục của tời.
Q- Tải trọng chuyến (kg); η r - Hiệu suất của ròng rọc chuyển hướng; j- Gia tốc chuyển động (m/s 2 ); g- Gia tốc trọng trường (m/s 2 );
Q t - Trọng lƣợng của trống tời và cáp cuốn trên trống (N); μ- Hệ số ma sát trƣợt trong ổ trục của trống tời; d- Đường kính trục trống tời (m);
Wc- Lực cản cứng khi cáp cuốn vào trống
Công suất của động cơ cần thiết để kéo tải
Trong đó: v- Vận tốc trung bình của dây cáp hoặc tốc độ nâng của tải, m/s; η o - Hiệu suất truyền động chung của các bộ truyền; η o đƣợc tính bằng công thức: η o =η x η r (3.7)
Trong đó: η x - Hiệu suất của bộ truyền xích; η r - Hiệu suất của bộ truyền bánh răng của trục thu công suất Tổng hợp các công thức trên ta đƣợc:
+ Nhận xét: Từ công thức (3.8) cho thấy rằng:
Những nhân tố chính ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng khi nâng vật liệu gồm:
- Vận tốc nâng (vận tốc cuốn của dây cáp);
- Kết cấu của máy (loại ổ trục, bộ truyền…);
Năng suất của tời
Dựa trên quy trình thao tác kỹ thuật và thời gian thực hiện các thao tác khi sử dụng tời để nâng hạ vật liệu xây dựng, năng suất của tời được xác định thông qua công thức cụ thể.
Trong đó: φ- Hệ số sử dụng thời gian;
Q- Tải trọng chuyến (kg); t1- Thời gian xếp vật liệu, (s); t2- Thời gian nâng vật liệu, (s); t3- Thời gian dỡ vật liệu, (s); t 4 - Thời gian móc hàng trở về vị trí ban đầu, (s)
Thời gian t1 có thể tính bằng công thức: t 1 =a. q
Thời gian bốc xếp một đơn vị vật liệu xây dựng nhỏ nhất được xác định bởi ước số chung nhỏ nhất của Q, trong khi khối lượng của một đơn vị vật liệu xây dựng nhỏ nhất cần vận thăng là q Thời gian t2 có thể được tính bằng công thức t2 = vt.
Trong đó: H- Chiều cao nâng; v t - Vận tốc nâng tải
Thời gian t4 đƣợc xác định bằng công thức: t4 v ot
Trong đó: vot- Vận tốc trung bình của cáp khi không tải
Nhận xét: Từ phương trình trên cho thấy rằng những nhân tố chính ảnh hưởng đến năng suất của tời gồm:
Mục tiêu thực nghiệm
Năng suất là một chỉ tiêu quan trọng, đánh giá hiệu quả làm việc của máy trong quá trình hoạt động Thông qua thông số này, người dùng có thể lựa chọn chế độ làm việc phù hợp cho máy, nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc.
Chi phí năng lượng riêng là một chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá chất lượng máy móc và hiệu suất làm việc của chúng Chỉ tiêu này thể hiện mức năng lượng cần thiết để sản xuất một đơn vị sản phẩm Hơn nữa, chi phí năng lượng cũng ảnh hưởng lớn đến giá thành sản phẩm, vì trong quy trình sản xuất, chi phí năng lượng chiếm gần 1/3 tổng chi phí sản xuất.
Tham số điều khiển
- Vận tốc cuốn cáp thay đổi với 5 mức khác nhau: 0,75; 0,825; 0,9; 0,975; 1,05 (m/s) tương ứng số vòng quay của trục thu công suất là: 153; 168; 183; 198; 211 (v/p)
- Tải trọng nâng thay đổi với 5 mức khác nhau: 50; 75; 100; 125; 150 (kg).
Phương pháp đo và thu thập số liệu
Để tính toán chi phí năng lượng riêng cho tời nâng hạ vật liệu, cần xác định công suất cần thiết của động cơ để nâng hạ tải trọng Q (kg) và năng suất làm việc của máy, theo công thức 3.2.
Ta có thể tính đƣợc công suất của động cơ bằng công thức:
Công suất tính toán trên trục thu công suất (Pt) được đo bằng kilowatt (kW), trong khi hiệu suất truyền động (η) được xác định bằng tích của các hiệu suất của các bộ truyền và cặp ổ đỡ trong hệ thống dẫn động, tức là η = η1 η2 η3
Trong đó: n- Số vòng quay của trục thu công suất, (v/p);
M- Mô men quay trên trục thu công suất, (N.m)
Như vậy cơ sở của phương pháp đo chính là xác định được mô mem quay lớn nhất của trục thu công suất khi tời làm việc.
Tiến hành thí nghiệm
Chuẩn bị máy và các thiết bị đo
Hình 4.1 Chuẩn bị máy tại hiện trường
Các thiết bị đo bao gồm:
- Đầu đo mô men: Để đo mô men xoắn của trục thu công suất tôi sử dụng đầu đo mô men T4A (hình 4.2)
Hình 4.2 Đầu đo mô men T4A
Một đầu của đầu đo đƣợc gắn với trục thu công suất, một đầu đƣợc gắn với trục bánh răng xích chủ động (hình 4.3)
Để gắn đầu đo mô men lên trục thu công suất, cần thiết kế bộ giá đỡ trục với bánh xích chủ động và đầu đo được lắp đặt ở mặt dưới tấm thép đỡ tời.
Giá đỡ là những thanh thép chữ V đƣợc hàn lại với nhau, trên đó đƣợc gắn hai ổ bi giữ trục gắn bánh xích chủ động
Hình 4.4 Giá đỡ trục và đầu đo dưới tấm thép đỡ tời
Đồng hồ bấm giây là công cụ quan trọng để đo thời gian nâng hạ và xếp dỡ vật liệu, giúp theo dõi quá trình một cách chính xác Sử dụng đồng hồ bấm giây (hình 4.5) sẽ mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý thời gian trong các hoạt động liên quan đến vật liệu.
Hình 4.5 Đồng hồ bấm giây và đo số vòng quay
- Đồng hồ đo số vòng quay: để xác định đƣợc số vòng quay của trục thu công suất tôi sử dụng đồng hồ đo số vòng quay HT-3100 (hình 4.5)
- Cân điện tử: để xác định tải trọng của vật liệu cần nâng hạ
- Thước dây: để đo chiều cao nâng
- DMC Plus và máy tính sử dụng phần mềm DMC laplus
Hình 4.6 Bộ thu thập, khuếch đại nhiều kênh DMC-plus
Các tín hiệu đo mô men quay của trục thu công suất được truyền từ đầu đo qua bộ thu thập và khuếch đại nhiều kênh DMC-plus Bộ khuếch đại này kết nối với máy tính đã cài đặt phần mềm điều khiển đo lường DMC Laplus Kết quả đo được lưu dưới dạng file có đuôi ACS và có thể xử lý bằng Excel.
Kết quả thí nghiệm thăm dò
Số liệu thu thập thí nghiệm thăm dò đƣợc trình bày trong phần phụ lục
+ Xét đại lượng nghiên cứu là năng suất N s
Số nhóm các trị số thu thập: m=5.lgn=5.lg50≈8 nhómKhoảng chia nhóm: k m
Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm
STT N s N stb f i N stb 2 f i N stb f i N stb 2
Tra bảng phụ lục 5[12] ta đƣợc: χ 2 0,5;kg,5
Trong đó bậc tự do k=n-1I
Nhƣ vậy χ 2 tt