MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHUNG CÀY CHẢO C7C VÀ CPL-3

STUDY ON STRESS – DEFOMATION STATUS OF THE PAN – SHAPED PLOUGH FRAME

Nguyễn Hồng Phong, Trương Quang Trường, Nguyễn Hải Đăng. Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh

ABSTRACTPan-shaped ploughs are using popularity in Vietnam now. However, there’s

almost no publication of study combining between theory and experiment of stability and hardness of the plough frame. This problem lead to setting up the project “Study on stress – deformation status of the pan-shaped plough frame”.

The objective is to build the theoretical method calculating stress and deformation of plough frame (that was verified by the experiment). The result of analysis of stress and deformation calculation brings out the parameters of stability and hardness of plough frame respectively with the soil – ploughing load. This result is the basis to improve the plough frame. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình cơ giới hóa nông nghiệp Việt Nam hiện nay, thì khâu làm đất là bước đi đầu tiên và quan trọng nhất. Để thực hiện tốt khâu này thì chất lượng và độ bền của công cụ quyết định phần lớn đến năng suất và hiệu quả của nó. Trong số các máy làm đất, cày chảo được sử dụng phổ biến nhất. Tuy nhiên, chưa có đơn vị hoặc cá nhân nào nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm để đánh giá đầy đủ về độ bền và độ cứng khung cày. Chính vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng khung cày chảo CPL-3 và C7C”. PHƯƠNG PHÁP – PHƯƠNG TIỆNNội dung

1. Xây dựng lý thuyết tính toán ứng suất, biến dạng tại một số điểm đặc trưng trên khung cày (có kiểm chứng bằng kết quả đo thực nghiệm). Từ các kết quả tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm, vẽ biểu đồ phân bố ứng suất - biến dạng lý thuyết, biểu đồ phân bố ứng suất – biến dạng thực nghiệm ở các điểm đặc trưng trên khung cày khi chịu các mức tải khác nhau.Qua phân tích, so sánh các biểu đồ, đánh giá độ bền độ cứng khung cày ở vùng đất làm thí nghiệm.

2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm về ứng suất và biến dạng ở một số điểm đặc trưng trên khung cày, từ đó củng cố lý thuyết tính toán.

3. Đề suất ý kiến cải tiến kết cấu (kích thước, hình dạng, vị trí lắp ghép giữa các chi tiết…) với mục đích bảo đảm độ bền, độ cứng khung cày.

Phương phápPhương pháp nghiên cứu lý thuyết

a. Phướng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.Nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến đề tài (cấu tạo máy nông nghiệp, lý

thuyết tính toán máy nông nghiệp, cơ học đất, thiết bị đo lực, đo độ chặt …) để xem xét những phương pháp, những trường phái nghiên cứu lý thuyết tính toán cày chảo, từ đó chọn lọc những thông tin riêng cần thiết của từng tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên

- 1 -

cứu. Trên cơ sở các lý thuyết, thông tin chọn lọc được, xây dựng một lý thuyết tính toán mới có liên quan đến đề tài nghiên cứu.

b. Phương pháp mô hình hóa.Đặc tính của mô hình là sự tương ứng của nó đối với kết cấu thực. Tính toán

trên mô hình cũng là tính toán trên khung cày (với độ chính xác cho phép). Trong đề tài này, chúng tôi chọn phương pháp lực trong sức bền vật liệu để tính cho khung cày siêu tĩnh vì phương pháp lực là phương pháp cơ bản dùng để tính toán hệ khung siêu tĩnh. Như vậy, các kết quả tính toán trên khung cày chảo chính là các kết quả tính toán được trên các hệ tĩnh định tương đương theo phương pháp lực.

c. Phương pháp giả thuyếtQua điều tra, cày chảo CPL-3 và C7C khi làm việc ở các mức tải khác nhau ở

các vùng đất khác nhau bảo đảm được độ bền và độ cứng. Để minh chứng cho vấn đề này, chúng tôi xây dựng biểu đồ ứng suất – biến dạng lý thuyết và biểu đồ ứng suất – biến dạng thực nghiệm.Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

a. Phương pháp điều traĐể có những thông tin về chất lượng làm việc của khung cày (độ bền, độ cứng)

chúng tôi đã đi thực tế tìm hiểu, trao đối với những người sử dụng hai loại cày này ở các vùng đất khác nhau để sơ bộ biết được chất lượng làm việc của chúng.

b. Phương pháp quan sátĐể thu thập các thông tin cần thiết về cày CPL-3 và C7C chúng tôi đã :

- Tháo cày để tìm hiểu kỹ về kết cấu.- Đo đạc kích thước các chi tiết, vẽ các bản vẽ chi tiết, lắp, các bản vẽ cụm chi tiết…tìm hiểu liên kết giữa các chi tiết, giữa các cụm chi tiết…- Cho liên hợp máy kéo - cày chảo làm việc ở các chế độ để xem xét độ ổn định các đường cày…- Chụp ảnh các chi tiết tháo rời, các cụm chi tiết, quay phim khi liên hợp máy làm việc…

c.Phương pháp thực nghiệm khoa học.Đây là phương pháp nghiên cứu thực tiễn quan trọng nhất. Phối hợp với các

chuyên viên Phòng tính toán Cơ học trường Đại học Bách khoa Tp.HCM chúng tôi đã chuẩn bị hệ thống cảm biến để đo ứng suất – biến dạng tại một số điểm đặc trưng trên khung cày. Vì đây là phương pháp rất quan trọng, chúng tôi đã :

- Chuẩn bị điểm dán cảm biến: mài, đánh bóng bề mặt các điểm dán cám biến trên khung cày.- Thành lập và kiểm tra mạch đo.- Tiến hành khảo nghiệm liên hợp máy kéo - cày chảo theo kế hoạch, chương trình chuẩn bị trước. Trong khảo nghiệm, chúng tôi chủ động thay đối các điều kiện làm việc của cày như: độ sâu, vận tốc cày… và ghi các số liệu về lực cản cày, ứng suất, biến dạng xuất hiện ở một số điểm đặc trưng trên khung cày.- Xử lý số liệu để có các kết quả.

Phương pháp thực hiện :Nghiên cứu định hướng bước đầu là xác định lực cản tác dụng lên khung cày và

trọng tâm khung cày để từ đó tính toán ứng suất và biến dạng lý thuyết ở các điểm

- 2 -

nguy hiểm trên khung cày khi chịu ở các mức tải khác nhau. Sau đó tiến hành khảo nghiệm xác định ứng suất và biến dạng của khung trong quá trình làm việc. Qua đó, kết luận sơ bộ về độ bền, độ cứng của khung ở vùng đất làm thí nghiệm

- Sử dụng công thức tính toán lý thuyết của Goriatskin (1937) để xác định lực cản kéo của cày (để so sánh, đối chiếu với lực cản cày đo được bằng thực nghiệm). Tiến hành phân tích lực tác dụng lên chảo cày để từ đó tính cho khung cày. Sử dụng kiến thức của sức bền vật liệu để tính toán ứng suất lý thuyết ở các điểm nguy hiểm trên khung cày (việc tính toán thực hiện trên các hệ tĩnh định tương đương).Các phương tiện và thiết bị thực hiện gồm: Cày chảo C7C và CPL-3 của khoa Cơ Khí - Công Nghệ do Công ty Cổ Phần A74 chế tạo. Dụng cụ đo độ chặt. Thiết bị đo lực: loadcell và mạch đo, lực kế hiển thị số thang đo 9,81.107N.m-2, lực kế tự ghi. Thiết bị đo ứng suất và biến dạng: cảm biến và mạch đo, thiết bị đo độ ẩm: tủ sấy mâu, lon mâu, cân điện tử độ chính xác 0,01g. Hai máy kéo Belarus 892 và MTZ80. Các thiết bị dùng để chuẩn hóa dụng cụ: Balance, cân đồng hồ 60kg, cân 5kg. Quá trình khảo nghiệm được tiến hành trên khu đất trại thực nghiệm của trường Đại Học Nông Lâm TPHCM.

Hình 1: Khảo nghiệm kiểm tra ứng suất và biến dạng khung cày chảoKẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNXác định đặc điểm ruộng thí nghiệm

Đặc điểm của ruộng thí nghiệm được xác định bằng thực nghiệm thông qua việc bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu (Hồ Đông Lĩnh và Nguyễn Văn Vinh,1987), kết quả thu được như sau: Về thổ nhưỡng: đây là đất cát, loại đất nhẹ với thành phần cơ giới của đất theo tỷ lệ cát: thịt: sét là 84: 6: 10 (%). Ẩm độ trung bình của đất: 11.2% . Độ chặt trung bình là 3,2N.m-2 và mật độ cỏ dại cho một ha là 7600kg.ha-1.Xác định lực cản cày bằng lý thuyết

Lực cản kéo của cày được tính theo công thức của Viện sĩ V. P. Gơriatskin (1937):

(N) (1) Trong thực tế tính toán để sử dụng và chế tạo, người ta dùng công thức lực cản

kéo theo lực cản riêng: (N) (2)

- 3 -

Với độ sâu cày ; bề rộng thỏi đất ; số thân cày đối với cày đất thuộc 7 chảo, và n = 3 đối với cày phá lâm 3 chảo. Đối với loại đất nhẹ, lực cản riêng khi cày chọn .

Khi đó lực cản cày P = 6069N đối với cày 7 chảo và P = 3825N đối với cày 3 chảo. Xác định lực cản cày bằng thực nghiệm:

Như chúng ta đã biết lực cản kéo cày phụ thuộc vào các yếu tố như vận tốc liên hợp máy, độ sâu cày, độ ẩm, độ chặt của đất, mật độ cỏ dại. Để xác định được sự ảnh hưởng của các yếu tố trên đến lực cản kéo ta cần tiến hành khảo nghiệm để thu thập các số liệu của lực cản kéo cày trên những điều kiện khác nhau của ruộng thí nghiệm. Do điều kiện khó khăn về địa điểm thực hiện nên chúng tôi cố định các yếu tố về độ ẩm, độ chặt và mật độ cỏ dại trên ruộng. Thí nghiệm của chúng tôi chỉ xem xét ảnh hưởng của hai yếu tố đó là vận tốc liên hợp máy và độ sâu cày (bố trí thí nghiệm kiểu CRD với 2 yếu tố).

Lực cản kéo cày được đo ở các chế độ không tải, có tải và chất tải (nhằm tăng độ sâu cày). Tiến hành khảo nghiệm trên ba cấp số truyền của máy kéo là 4, 5 và 6, ứng với không tải và hai độ sâu cày. Ở mỗi chế độ ta tiến hành lấy số liệu trên bốn đường cày theo hai hướng xuôi ngược. Kết quả khảo nghiệm thu được như bảng 1. Phân tích ANOVA CRD 2 yếu tố cho cày C7C như ở bảng 2.Bảng 1: Kết quả đo lực cản cày (trung bình của 5 lần đo cho mỗi cặp yếu tố)

Loại cày Vận tốc cày (m.s-1)

Độ sâu cày (cm)

Lực cản cày không

tải (N)

Lực cản cày có tải

(N)

Lực cản cày (N)

C7C

1,46 14,85 2747 6769 40221,46 17,42 2747 7358 46111,66 14,85 2943 7137 41941,66 17,42 2943 7971 50281,87 14,85 3139 7554 44151,87 17,42 3139 8044 4905

CPL-3

1,33 20,43 2943 11772 88291,24 23,75 2943 13881 109381,55 20,81 3139 13096 99571,30 24,10 3139 16481 13342

Bảng 2: Bảng phân tích ANOVA CRD 2 yếu tố cho cày C7C.

Nguồn biến động Độ tự do

Tổng bình phương

Phương sai Ftính Fbảng

Nghiệm thức   81650      Độ sâu cày,cm 1 40016,7 40017 12,83 4,41

Vận tốc máy, m.s-1 2 40000,0 20000 6,41 3,55Tương tác 2 1633,3 816,67 0,26 3,55

Sai số 18 56150 3119,4    Tổng 23 137800      

- 4 -

- Dựa vào bảng ANOVA trên ta có các nhận xét sau:+ Sự ảnh hưởng tương tác của 2 yếu tố độ sâu cày và vận tốc máy là

không có ý nghĩa, do Ftính < Fbảng.+ Do sự ảnh hưởng của tương tác là không có ý nghĩa nên chúng ta có thể

so sánh các số trung bình giữa các mức của hai yếu tố độ sâu cày và vận tốc máy.+ Tiến hành so sánh các số trung bình có kết quả như sau:

Khi thay đổi độ sâu cày thì lực cản cày thay đổi lớn, hay nói cách khác độ sâu cày có ảnh hưởng lớn đến lực cản cày. Cụ thể là độ sâu cày tăng thì lực cản tăng.

Khi thay đổi vận tốc liên hợp máy độ lớn của lực cản cày cũng thay đổi nhưng không lớn lắm. Cụ thể là vận tốc tăng thì lực cản cũng tăng.

Ở đây không có ảnh hưởng tương tác giữa độ sâu cày và vận tốc liên hợp máy. Xác định trọng tâm cày (để có số liệu phục vụ cho phần tính toán lý thuyết)Trọng tâm cày 7 chảo

- Cày được tiến hành cân theo nguyên tắc 3 điểm với sơ đồ tính toán như hình 2. Trọng lượng cân tại vị trí 1, 2 và 3 tương ứng là G1 = 76kg, G2 = 187,5kg và G3 = 225,4kg. Trọng lượng tác dụng lên vị trí 1 & 2 khi cày đặt nghiêng (đường 1&2 cao hơn vị trí 3 một khoảng h = 0,3m) là G’ = 307,4kg.

a) b)Hình 2: Sơ đồ xác định trọng tâm cày .

1: Điểm treo cày. 2: Đầu trụ cày. 3: Đầu trụ có bánh đuôi.- Tọa độ trọng tâm cách đường qua điểm 1&2 (x1):

x1 = ( ) [m] (3)

x1 = 0,805 [m]- Tọa độ trọng tâm cách đường qua 3&2 (x2):

x2 = ( ) [m] (4)

x2 = 0,101 [m]- Tọa độ trọng tâm theo chiều cao (hg):

Lập phương trình cân bằng momen đối với vị trí bánh đuôi (số 3), ta được:

a’ = (5)

Theo sơ đồ, L’ = , thay vào công thức (5), ta được:

a’ = (6)

Với G’ = 307,4kg; G = 488,9kg; L = 1,633m; H = 0,4m. Tính được a’ = 0,995m.

- 5 -

mặt đất

đường trục cày

Tọa độ trọng tâm theo chiều cao của cày:hg = h + a’*tg (7)

Trong đó: bán kính chảo cày h = 0,33m và tg = = 0,245

Thay vào ta được: hg = 0,5738m.b) Trọng tâm cày 3 chảoLập sơ đồ tương tự như cày 7 chảo, trọng lượng cân tại vị trí 1, 2 và 3 tương ứng

là G1 = 84,4kg, G2 = 168,6kg và G3 = 231,7kg. Trọng lượng tác dụng lên vị trí 1 & 2 khi cày đặt nghiêng (đường 1&2 cao hơn vị trí 3 một khoảng h = 0,3m) là G’ = 332,7kg. Ta tính được x1 = 1,092m; x2 = 0,136m; và hg = 0,555m.Xác định ứng suất trong khung cày

Khảo nghiệm đo ứng suất cho khung cày được xác định dựa vào cảm biến cùng mạch đo. Vị trí dán cảm biến tại những điểm nguy hiểm được chọn dựa theo điều tra, khảo sát và tính toán sơ bộ. Số điểm dán cảm biến của cày 7 chảo là 21 điểm cho khung cày và 3 điểm cho thanh treo, của cày 3 chảo là 19 điểm cho khung cày và 3 điểm cho thanh treo. Như vậy, ở mỗi vận tốc liên hợp máy chúng tôi lấy số liệu ứng suất, biến dạng trên ba đường cày ở cùng độ sâu cày (Hồ Đông Lĩnh và Nguyễn Văn Vinh,1987).

Hình 3: Kết quả đo ứng suất tại một điểm trên khung cày CPL-3Số liệu ứng suất đo sẽ được sử dụng để so sánh và kiểm tra cho ứng suất tính

toán của khung cày sau này. Nhận xét sơ bộ là tất cả các giá trị ứng suất trên khung đều nhỏ hơn ứng suất cho phép [] = 160 MPa đối với thép chế tạo khung cày. Đối với cày C7C chúng tôi khảo nghiệm ở các cấp số truyền của máy kéo là: 4, 5 và 6 tương ứng với vận tốc là 1,46; 1,66 và 1,87m.s-1. Cày CPL-3 ở ba cấp số truyền của máy kéo là: 3, 4 và 5, tương ứng với ba mức vận tốc là 1,24; 1,46 và 1,66 m.s-1. Bảng 3, 4, 5 và 6 trình bày số liệu đo về ứng suất và biến dạng của cày C7C và CPL-3.

Bảng 3: Số liệu đo thực nghiệm về biến dạng (m) của cày 7 chảo C7CĐiểm

Vận tốc (m.s-1)1 2 3 4 5 6 7 8 9

1,46 162.84 -77.63 151.14 30.16 -157.50 61.34 67.33 36.92 86.271,66 162.87 -101.71 161.18 40.61 -198.05 73.55 73.27 43.22 89.111,87 133.41 -123.51 125.10 61.07 -231.65 94.43 61.11 37.41 115.20

- 6 -

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2172.18 -286.35 27.67 118.05 -98.20 -22.61 -85.96 228.86 170.82 -38.25 -87.24 103.22

103.19 -274.03 28.84 72.60 -104.60 -24.18 -68.21 213.93 168.15 -39.27 -100.22 101.3582.11 -218.56 37.28 123.03 -135.45 -22.25 -121.26 189.41 143.80 -38.88 -109.19 99.08

Bảng 4: Số liệu đo thực nghiệm về ứng suất (MPa) của cày 7 chảo C7CĐiểm

Vận tốc (m.s-1)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1,46 32.57 -15.53 30.23 6.03 -31.50 12.27 13.47 7.38 17.25 14.441,66 32.57 -20.34 32.24 8.12 -39.61 14.71 14.65 8.64 17.82 20.641,87 26.68 -24.70 25.02 12.21 -46.33 18.89 12.22 7.48 23.04 16.42

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21-57.27 5.53 23.61 -19.64 -4.52 -17.19 45.77 34.16 -7.65 -17.45 20.64-54.81 5.77 14.52 -20.92 -4.84 -13.64 42.79 33.63 -7.85 -20.04 20.27-43.71 7.46 24.61 -27.09 -4.45 -24.25 37.88 28.76 -7.78 -21.84 19.82

Bảng 5: Số liệu đo thực nghiệm về biến dạng (m) của cày 3 chảo CPL-3Điểm

Vận tốc (m.s-1)1 2 3 4 5 6 7 8 9

1,24 95.79 -45.66 88.91 16.48 -86.07 33.52 36.79 20.17 47.141,46 95.81 -59.83 94.81 22.19 -108.22 40.19 40.04 23.62 48.701,66 78.48 -72.65 73.59 33.37 -126.58 51.60 33.39 20.44 62.95

10 11 12 13 14 15 16 17 18 1939.44 -156.48 15.12 64.51 -53.66 -12.36 -46.97 125.06 93.34 -20.9056.39 -149.75 15.76 39.67 -57.16 -13.21 -37.27 116.90 91.89 -21.4644.87 -119.43 20.37 67.23 -74.02 -12.16 -66.26 103.50 78.58 -21.25

Bảng 6: Số liệu đo thực nghiệm về ứng suất (MPa) của cày 3 chảo CPL-3Điểm

Vận tốc (m.s-1)1 2 3 4 5 6 7 8 9

1,24 19.16 -9.13 17.78 3.30 -17.21 6.70 7.36 4.03 9.431,46 19.16 -11.97 18.96 4.44 -21.64 8.04 8.01 4.72 9.741,66 15.70 -14.53 14.72 6.67 -25.32 10.32 6.68 4.09 12.59

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

- 7 -

7.89 -31.30 3.02 12.90 -10.73 -2.47 -9.40 25.01 18.67 -4.1811.28 -29.95 3.15 7.93 -11.43 -2.64 -7.45 23.38 18.38 -4.298.97 -23.89 4.07 13.45 -14.80 -2.43 -13.25 20.70 15.72 -4.25

KẾT LUẬNKết quả của việc điều tra, khảo sát cho thấy rằng, cày đất thuộc 7 chảo và cày

phá lâm 3 chảo chưa từng xảy ra hiện tượng gãy khung, như vậy khung cày đủ bền. Trong một số trường hợp, khi làm việc ở các vùng đất cứng, khi gặp sự cố: va phải đá, gốc cây,… khung bị cong ở phía trên trụ cuối do không đủ độ cứng.

Kết quả khảo nghiệm lực cản cày phù hợp với kết quả tính toán đối với cày đất thuộc 7 chảo. Lực cản cày khảo nghiệm của cày phá lâm sai lệch nhiều, do độ sâu cày lớn hơn. Khi thay đổi độ sâu cày thì lực cản cày thay đổi lớn, hay nói cách khác độ sâu cày có ảnh hưởng lớn đến lực cản cày, cụ thể là độ sâu cày tăng thì lực cản tăng. Khi thay đổi vận tốc liên hợp máy độ lớn của lực cản cày cũng thay đổi nhưng không lớn lắm, vận tốc tăng thì lực cản cũng tăng.

Kết quả tính toán trọng tâm cày theo thực nghiệm sẽ được kiểm chứng khi nghiên cứu mô hình hóa, và sẽ được sử dụng để kiểm tra bền, kiểm tra độ cứng bằng tính toán lý thuyết sau này.

Khảo nghiệm về ứng suất và biến dạng cho kết quả khung cày đủ bền, đủ cứng. Việc phân tích kết quả ứng suất và biến dạng sẽ được phát triển thêm trong các nghiên cứu trong tương lai.

TÀI LIỆU THAM KHẢOBùi Đức Vinh, 2004 – Phân Tích và Thiết Kế kết cấu bằng phần mềm SAP 2000, tập I

và II. NXB Thống kê.Đoàn Văn Điện – Nguyễn Bảng, 1987 – Ly Thuyết Và Tính Toán Máy Nông Nghiệp.

Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh.Hồ Đông Lĩnh – Nguyễn Văn Vinh, 1987 – Hệ Thông Các Tiêu Chuân Khảo Nghiệm,

Giám Định Chất Lương Máy Keo, Máy Canh Tác Dung Trong Sản Xuất Nông Lâm Nghiệp, tập II. NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

Nguyễn Quang Lộc – Cơ Giơi Hóa Sản Xuất Cây Trồng. NXB Nông nghiệp.Nguyễn Hồng Phong – Giáo trình Sức Bền Vật Liệu. Trường Đại học Nông Lâm Tp.

Hồ Chí Minh.Phan Hiếu Hiền, 2001 – Phương Pháp Bô Trí Thí Nghiệm Và Xử Ly Sô Liệu. NXB

Nông nghiệp, Tp. Hồ Chí Minh.N.A.Xưtôvich, 1987 – Cơ Học Đất (Đỗ Bằng – Nguyễn Công Mân dịch). NXB Nông

nghiệp Hà Nội, NXB Mir Maxcơva.Nartov, 1984 – Disk Soil Working Implement. Amerind Publishing Co. Pvt. Ltd, New

Delhi.В. П. Горячкин, 1937 – Собрание сочинений. Том II. Москва.

- 8 -