Tình hình nghiên cứu về lực cản cày
Động lực học cắt phá đất của mũi cày lật đã được nghiên cứu từ lâu bởi viện sĩ Nga V.P Goriatkin và A.I Trimophev Mũi cày cơ bản do Goriatkin đề xuất bao gồm các loại nêm cơ học, và lực cản trong trường hợp tổng quát được tính toán theo một công thức cụ thể.
P = k.a.b + G.f +ε.a.b.v 2 (1.4) Trong đó a, b là bề rộng và chiều dài thỏi đất cắt ra bởi mũi cày, m ; f: hệ số ma sát của đất và bánh xe máy cày;
G: trọng l−ợng của cơ cấu cày, N; k: lực cản riêng khi phá đất, N/m 2 ; ε: hệ số tiêu hao năng l−ợng khi lật đất, N.s 2 /m 4 ; v: vận tốc chuyển động của cày, m/s
Trong công thức này, lực cản được chia thành ba thành phần: đầu tiên là lực cản do lưỡi cày phá vỡ đất (k.a.b), tiếp theo là lực cản ma sát tại các bánh lăn hoặc bánh tỳ đồng, và cuối cùng là lực cản do sự lật đất của lưỡi cày.
N.V Sutkin đ3 xác định quan hệ lực cản riêng k với độ chặt H nh− sau:
K = m H (1.5) Trong đó m là hệ số tỷ lệ;
H: độ cứng trung bình của đất, N/cm 2
Các số liệu về cơ tính đất nông nghiệp Việt Nam đ3 đ−ợc khảo sát khá đầy đủ trên các loại đất trồng lúa và hoa mầu, cây công nghiệp
Theo nghiên cứu của Phạm Đình Lạn [20], lực cản riêng của đất vào l−ỡi cày k có thể xác định theo công thức:
K = a e h.b (1.6) Trong đó a, b là hệ số (khi độ ẩm 28% - 30% có a: 13 N/cm 2 b = 0,035), h: chiều sâu trung bình l−ỡi cày
Lực cản đối với cày lật là một vấn đề được nhiều tác giả nghiên cứu, trong đó có GS V A Jeligopxki với những phân tích về nguyên lý hoạt động của máy cày Các giáo sư N V Sutkin, N D Luinski và N V Slatkop cũng đã đóng góp nghiên cứu về hình dạng tối ưu của mũi và diệp cày Ngoài ra, các nghiên cứu từ Nhật Bản cũng đã góp phần làm rõ vấn đề này.
Ph.A.OPeiko đối với máy cày công suất nhỏ v.v
Cày xới sâu là một loại cày không lật thường sử dụng cho xới đất chăm sâu đ3 đ−ợc H A Semetov và C H Kapov nghiên cứu gồm hai phần (hình
Đáy hình chữ nhật của rãnh có độ rộng tương đương với bề rộng mũi cày, đây là khu vực đất bị nén trước khi được làm vỡ Phần trên của rãnh là đất mở rộng sang hai bên, với góc nghiêng của thành rãnh tạo nên hình dáng đặc trưng cho cấu trúc này.
45 o , lực cản tại thân cày xới sâu đ−ợc chia làm hai gồm tại phần ngập đất của trụ cày (R 1 ) và tại mũi cày (R 2 ):
R 2 = k 0 a 1 b.(1+f.tgβ 0 ) (1.9) là công thức tính lực cản của đất, trong đó k 0 đại diện cho lực cản riêng của đất (N/m²) Các tham số a 0 và d 0 tương ứng với chiều sâu ngập đất và bề rộng của trụ cày (m), trong khi a 1 và b là chiều cao và bề rộng của mũi cày (m) Hệ số f biểu thị ma sát giữa thép và đất, α là góc vát của cạnh trụ cày, β là góc nghiêng của trụ cày so với đường nằm ngang, và β 0 là góc nâng của mũi cày.
Hình 1.4 Dạng r;nh cày xới sâu và sơ đồ tính lực cản
Trong lĩnh vực lâm nghiệp Việt Nam, PGS TS Nguyễn Thanh Quế cùng các cộng sự tại Phân viện Cơ giới hóa trồng rừng đã thiết kế và chế tạo một số loại cày không lật Việc tính toán cho các thiết kế này được thực hiện dựa trên công thức rút gọn của viện sĩ Goriatkin.
Trong đó a là độ sâu cày, cm ; b: bề rộng của một l−ỡi cày, cm; n: số trụ cày; k0: hệ số cản riêng
Tại đồng bằng sông Cửu Long, PGS.TS Đoàn Văn Điện đã nghiên cứu quy trình và công cụ làm đất cho vụ lúa hè thu bằng phương pháp cày không lật Trong nghiên cứu, ông chia lực cản thành hai thành phần: tại đoạn ngập đất của trụ cày P(a1) và tại mũi cày P(a2) Lực cản được tính toán dựa trên áp lực P của đất tác động vào từng phần.
Hình 1.5 Sơ đồ tính lực cản với cày không lật của PGS Đoàn Văn Điện Trong các công thức trên:
P(b 1 ): lực cản trực diện tại phần ngập đất của trụ cày, N;
Lực cản tại mặt vát và lực ma sát tại phần ngập đất của trụ cày được ký hiệu là P(b ’ 1 ), trong khi áp lực của đất theo phương chuyển động tại trụ cày được ký hiệu là p1 và p2, tương ứng với các chiều sâu ngập đất a1 và a2 Chiều cao của mũi cày được tính bằng a2, với a là chiều cao tổng và a0 là chiều cao không ngập Bề rộng của trụ cày và mũi cày lần lượt được ký hiệu là b1 và b2 Hệ số ma sát giữa thân cày và đất được ký hiệu là f, trong khi góc vát của cạnh trụ cày là α và góc nâng của mũi cày là γ.
TS Hà Đức Thái từ Đại học Nông nghiệp I đã nghiên cứu phương pháp cày không lật có miết nền cho vùng đất chua mặn tại đồng bằng sông Hồng và đã ứng dụng thành công kết quả nghiên cứu này vào sản xuất nông nghiệp tại Hải Phòng.
Lực cản của đất đối với máy cày là một chủ đề nghiên cứu quan trọng, được nhiều tác giả quan tâm Tuy nhiên, việc nghiên cứu gặp khó khăn do sự đa dạng và biến động của cơ tính các loại đất Một phương pháp hiệu quả để nghiên cứu lực cản cày là sử dụng mô hình đồng dạng, như đã được GS TSKH Phạm Văn Lang trình bày trong một số công trình Phương pháp này cho phép khảo sát lực cản chuyển động của cày dưới các điều kiện khác nhau như độ ẩm và góc ma sát.
Các đại l−ợng nêu trên đ−ợc chỉ dẫn trong bảng 1.2
Bảng 1.2 Các thông số ảnh hưởng đến lực cản cày và thứ nguyên của chúng
T τ Các yếu tố Các đại l−ợng à λ τ
Lực cản chuyển động của đất với các cơ cấu máy cày R, kg.m/s 2 1 1 -2 Độ sâu làm việc h 0 1 0
Bề rộng b, bề dày thân cày d, m 0 1 0
Kết cấu và tÝnh n¨ng máy cày Tốc độ chuyển động của máy v, m/s 0 1 -1
Khối l−ợng riêng của đất ρ, kg/m 3 1 -3 0 Độ cứng p, lực cản riêng k, N/m 2 1 -1 -2
Gia tốc rơi tự do g, m/s 2 0 1 -2
Hệ số ma sát f, không thứ nguyên 0 0 0
(Ký hiệu thứ nguyên: M là khối l−ợng, L là chiều dài, T là thời gian)
Theo lý thuyết đồng dạng, có thể viết lại công thức (1.12) theo quan hệ giữa lực cản R và các thông số khác nh− sau:
R = C p 1-n b 1+m γ n (1.13) Trong đó γ là trọng l−ợng riêng của đất, kg/m 3
Giá trị của các hệ số C, m, n xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào độ ẩm, loại đất, độ sâu cày, kết cấu cày…
Dựa trên công thức R, GS TSKH Phạm Văn Lang đã phát triển một số công thức tính toán lực cản tác động lên máy cày, được trình bày trong bảng 1.3 Trong đó, F đại diện cho tiết diện cản của cày (m²) và V là thể tích đất bị phá (m³).
Bảng 1.3 Dạng công thức tính lực cản R của đất đối với cày [8]
TT Dạng công thức Chú thích
1 R = φ (p, h, b, ρ, v, γ…) Dạng tổng quát của hàm số lực cản
2 R = C p 1-n b 1+m h 1- m+n γ n Hệ số cản C (m 3 /N, phụ thuộc độ cứng p), số mũ m và n xác định bằng thực nghiệm
3 R = k 1 a b Theo lực cản riêng k1(kN/m 2 ), là công thức rút gọn của P Goriatkin
4 R = q V Theo hệ số nén thể tích q (kN/m 3 )
5 R = ξ p b h Theo hệ số cản ξ ( không thứ nguyên, phụ thuộc độ cứng p)
6 R = C ρ F v 2 Theo hệ số lực cản C ( không thứ nguyên, phô thuéc v), khi v > 7 km/h
7 R = A + B v 2 Tính theo lực phá đất A và hệ số cản chuyển động B (N.s 2 /m 2 )
Theo trị số cản A, (m 3 /N, phụ thuộc áp suất p), số mũ m và n xác định bằng thực nghiệm
Phương pháp xác định lực cản cày bằng thực nghiệm
- Ph−ơng pháp nghiên cứu trên mô hình mô phỏng bởi máy tính
Trước đây, do tốc độ tính toán thấp, việc áp dụng toán học trong nghiên cứu khoa học còn hạn chế Ngày nay, với sự phát triển của máy tính, nhiều phương pháp tính toán trong cơ học như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp động lực học hệ nhiều vật và phương pháp thực nghiệm ảo thông qua mô phỏng trên máy tính đã trở nên phổ biến và dễ dàng sử dụng trong nghiên cứu.
Trong quá trình phát triển máy tính, nhiều phần mềm chuyên dụng được sử dụng cho các lĩnh vực như tính toán động lực học, thiết kế chế tạo, thực nghiệm và xử lý số liệu Một số phần mềm phổ biến bao gồm Excel, Matlab, Alaska, SAP, SolidWorks, Analysic Design và DasyLab.
Trong khuôn khổ của đề tài và căn cứ tình hình thực tế mà đề tài này đ3 sử dụng các phương pháp nghiên cứu đó là:
- Phương pháp thống kê toán học với các phần mền tính toán để xử lý tính toán số liệu nghiên cứu và thực nghiệm
- Ph−ơng pháp Cơ học
- Sử dụng các phần mềm tin học: Excell, Inventor để thiết kế tính toán xử lý số liệu
- Ph−ơng pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu đ3 có liên quan đến nội dung của đề tài
- Đo lực kéo tại móc
Đo điện trở biến dạng là phương pháp xác định lực cản cày ngầm, dựa trên sự biến dạng của các thanh trong cơ cấu treo Phương pháp này được nghiên cứu và phát triển bởi TS Nguyễn, mang lại những hiểu biết quan trọng về ứng dụng trong ngành nông nghiệp.
Tác giả đã nhận định rằng lực cản của đất tác động vào thân cày gây ra hiện tượng uốn trên trụ cày Lực này, cùng với lực kéo nén tại trụ cày và các thanh treo cày ngầm, có thể được xác định nếu dán tenzo ở vị trí thích hợp Việc đo lực tác động vào các chi tiết của dàn cày được thực hiện thông qua việc đo sự thay đổi điện trở của các tenzo gắn trên các chi tiết đo trong mạch đo Phương pháp đo lực cản mà tác giả đề xuất rất khả thi, tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số vấn đề cần được giải quyết.
Các thanh treo cày ngầm có tiết diện lớn và được chế tạo từ thép chất lượng cao Tuy nhiên, khi dán tenzo lên bề mặt, độ nhạy để phát hiện sự thay đổi của lực cản cày thường không đạt yêu cầu.
Để xác định lực cản cày ngầm trên đất lâm nghiệp một cách chính xác và tin cậy, cần nghiên cứu đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản cày trong quá trình làm việc Điều này bao gồm việc phân tích tác động của lực cản cày đến LHM và cách lực cản này phân bố lên các thanh treo Bên cạnh đó, cần xây dựng một hệ thống đo nhạy bén để nhận diện tín hiệu của các thành phần lực cản, đồng thời có khả năng xử lý và biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị, tạo điều kiện thuận lợi cho các nghiên cứu tiếp theo về LHM cày.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết 1 Phân tích lực tác dụng lên LHM khi cày 1.1 Sơ bộ kết cấu của máy cày ngầm 1 Mô hình tính toán của máy cày 1.3 Lực của đất tác dụng vào cày ngầm 1.4 Tiết diện r3nh đất đ−ợc phá vỡ bởi một thân cày không lật 22 22 22 23 24
2.1 Phân tích lực tác dụng lên liên hợp máy khi cày
2.1.1 Sơ bộ kết cấu của máy cày ngầm
Cày ngầm thường được sử dụng kết hợp với máy kéo xích trong sản xuất lâm nghiệp trên sườn dốc, với chiều sâu làm việc khoảng 60 cm và lực cản của đất lên tới hàng tấn Đặc điểm nổi bật của cày ngầm là khả năng phá vỡ liên kết của đất mà không làm xáo trộn bề mặt Hình 2.1 minh họa kết cấu cày ngầm kết hợp với máy kéo xích Komatsu D65A-8.
Hình 2.1 Sơ bộ kết cấu cày ngầm
Trên cày liên hợp với máy kéo D65A-8, việc điều khiển các thân cày thực hiện bởi hệ thống treo và hệ thống điều khiển thuỷ lực
Hệ thống treo bao gồm:
- Tấm đế lắp chặt với vỏ cầu sau máy kéo, có các ổ khớp bản lề
- Dầm ngang có các vị trí lắp ba thân cày và các ổ khớp bản lề
Các thanh treo kết nối tấm đế với dầm ngang qua khớp bản lề, tạo thành một hình bình hành phẳng khi chiếu lên mặt phẳng OXY tại trọng tâm LHM Nhờ vào các khớp bản lề, dầm ngang có khả năng nâng hạ, từ đó thay đổi chiều sâu cày một cách linh hoạt.
Hệ thống điều khiển là hệ thuỷ lực thuỷ tĩnh, áp suất trung bình:
- Bơm dầu tạo áp suất cho mạch dầu
- Van ổn áp giữ sự ổn định áp suất cho hệ thống
- Van điều khiển loại ngăn kéo hình trụ, ba vị trí nâng, khoá và hạ
- Xi lanh lực hình trụ tác động hai phía, tạo lực kéo hoặc đẩy vào một điểm trên dầm ngang
2.1.2 Mô hình tính toán của máy cày
Máy cày có kết cấu đối xứng hai bên qua mặt phẳng OXY, với trục dọc LHM vuông góc với nền đất Cấu trúc của máy cày có thể được quy về cơ cấu phẳng bốn khớp bản lề A1B1A2B2 nằm trên mặt phẳng OXY Lực tác dụng vào phần kéo dài của khâu A2B2 là lực của đất tác động lên các thân cày, trong khi lực dọc A1A2 và B1B2 đại diện cho lực kéo nén trung bình tại các thanh treo trên và dưới Các lực cản chính của đất, Pc1 và Pc2, tác động lên mũi cày và trụ cày Các thông số hình học của dàn cày được thể hiện qua a1a2a3 và b1b2b3, trong đó hc là độ sâu cày của mô hình máy cày.
2.1.3 Lực của đất tác dụng vào cày ngầm
Công việc cày là quá trình phá vỡ cấu trúc đất, tạo ra những mảnh đất nhỏ thông qua sự tác động của lưỡi cày khi di chuyển trong lòng đất.
Mũi cày có hình dạng nêm, khi di chuyển trong lòng đất, đất tác động một lực P vuông góc với mũi cày Lực P này có thể được phân thành hai thành phần: một thành phần song song với hướng chuyển động và một thành phần vuông góc với hướng chuyển động, trong đó α là góc nghiêng của mũi cày.
Hình 2.3 Sơ đồ làm việc của mũi cày và trụ cày
Trên máy cày ngầm chỉ có thân cày tiếp xúc với đất và chịu lực cản từ đất, từ đó ta thấy:
- Lực cản chính là lực phá đất của l−ỡi cày, đất bị phá vỡ liên kết với vùng xung quanh, làm tăng thể tích đất trong r3nh cày
Trụ cày là bộ phận quan trọng kết nối và truyền lực từ dầm ngang xuống mũi cày Thiết kế của trụ cày có dạng cong về phía sau, giúp tối ưu hóa khả năng hoạt động Khi di chuyển, phần trụ cày ngập trong đất và phải chịu lực cản từ đất, điều này có thể làm phá vỡ liên kết trong quá trình cày.
Mặt cắt vuông góc với hướng chuyển động vùng đất đ3 phá
Theo Viện sĩ Goriatkin, lực tác động vào cày phụ thuộc vào khối lượng đất được phá vỡ bởi mũi cày Đối với cày không lật, khối lượng đất phá vỡ thể hiện rõ trong tiết diện rãnh đất cày Vì vậy, trước khi xác định lực tác động vào cày, cần phải xác định tiết diện rãnh đất được phá vỡ bởi một thân cày.
2.1.4 Tiết diện rãnh đất đ−ợc phá vỡ bởi một thân cày không lật
Nghiên cứu của H.A Semetov và C.H Kapov chỉ ra rằng r3nh đất cày không lật có hình phễu nghiêng 45 độ sang hai bên, với đáy r3nh là hình chữ nhật có chiều cao w x, thể hiện mức độ nén trước khi đất đạt ứng suất phá huỷ Tại vùng đồi miền Bắc, tiết diện r3nh cày gần giống với mô tả này, cho thấy sự liên quan giữa sự phá vỡ đất và góc nghiêng của r3nh cày.
Khi máy kéo di chuyển trong lòng đất, mũi cày tạo ra lực P nén đất theo phương vuông góc với lưỡi cày Lực P này được phân thành hai thành phần: một thành phần song song với hướng di chuyển, nén đất về phía trước, và một thành phần thẳng đứng, đẩy đất lên trên Điều này khiến đất trượt theo mặt nghiêng α của mũi cày, dẫn đến việc đất bị nén lại và ứng suất trong đất tăng lên.
Sự tăng ứng suất bắt đầu tại điểm O mũi cày khi đất trên lưỡi cày di chuyển đến O’, dẫn đến việc đất bị nén từ chiều cao OZ đến O’Z’ Nếu ứng suất trong khối đất tại O’Z’ tăng lên đạt giới hạn phá hủy, liên kết trong đất sẽ bị phá vỡ, ngăn chặn sự gia tăng ứng suất Ứng suất lớn nhất được ghi nhận tại mặt phẳng vuông góc với mặt trước lưỡi cày tại điểm giữa (mặt phẳng OZZ’), nhưng sự phá vỡ của đất lại lan rộng sang hai bên, tạo thành rãnh có tiết diện hình phễu với góc nghiêng θ.
Nghiên cứu và quan sát tại vùng đồi miền Bắc cho thấy trong tiết diện vuông góc với hướng chuyển động của máy kéo, góc nghiêng θ của r3nh cày dao động từ 35° đến 40° Bên cạnh đó, chiều cao bị nén tại đáy r3nh cày cũng được ghi nhận.
* ứng suất giới hạn phá huỷ của đất
Trên vùng đồi miền Bắc, đất Feralit chiếm ưu thế với màu vàng và nâu, chủ yếu cấu tạo từ sét và ít khe hở Vào mùa khô, độ ẩm của đất chỉ đạt 20% - 30%, dẫn đến tình trạng khi đất bị nén, không có giai đoạn lấp kín khoảng trống và thoát nước hiệu quả.
Theo lý thuyết cơ học đất, trong trường hợp trên biến dạng tương đối ε và ứng suất σ của đất quan hệ theo công thức: ε = [σz – à (σx + σy)]/E
Trong đó à là hệ số Poisson (hệ số Poát xông, hệ số nở hông);
E: môđun đàn hồi của đất σx, σy, σz: ứng suất theo ba phương trong hệ toạ độ Oxyz, trong đó ph−ơng Oz là ph−ơng chịu lực
Giả sử hệ số Poisson bằng không, đất chỉ chịu ứng suất pháp σz, với hai thành phần σx và σy bằng không, công thức trở thành ε = σz / E (2.1.a) Theo nguyên lý Coulomb, đất sẽ bị phá huỷ khi ứng suất tiếp τ tại mặt cắt nghiêng góc λ với phương chính vượt quá ứng suất chống cắt S.
Trong đó σ là ứng suất pháp theo phương vuông góc với mặt cắt, N/m 2 ; η: góc ma sát trong của đất;
C: lực dính đơn vị của đất, N/m 2
Dựa trên nguyên lý phá huỷ của đất, Mor - Renkin đã phát triển điều kiện cân bằng ứng suất cho một điểm bất kỳ Đối với đất dính, điều kiện này được xác định như sau:
Trong đó σ 1 là ứng suất pháp theo phương chính thứ nhất σ 3 : ứng suất pháp theo hai ph−ơng chính còn lại
Với giả thiết hệ số Poisson bằng không, công thức (2.1.c) trên trở thành:
Công thức biến đổi cho phép tính giá trị ứng suất pháp cần thiết, được gọi là ứng suất pháp giới hạn σg, tương ứng với đất có lực dính C và góc ma sát trong η, được xác định bởi công thức: η sin 1 η.
* Chiều cao đất bị nén trước khi phá vỡ w x