BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP CAO BÁ HOÀNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA THIẾT BỊ TỜI CÁP – CÀNG NGOẠM GỖ LẮP SAU MÁY KÉO DT -75 ĐỂ VẬN XUẤT GỖ RỪNG TỰ NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP CAO BÁ HOÀNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA THIẾT BỊ TỜI CÁP – CÀNG NGOẠM GỖ LẮP SAU MÁY KÉO DT -75 ĐỂ VẬN XUẤT GỖ RỪNG TỰ NHIÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thiết bị giới hoá nông - lâm nghiệp Mã số: 60 52 14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Cán hướng dẫn khoa học: TS Lê Văn Thái HÀ NỘI - 2010 ĐẶT VẤN ĐỀ Vận xuất gỗ khâu cuối khai thác rừng Đây khâu công việc nặng nhọc nguy hiểm Đặc biệt rừng tự nhiên thành phần chủng loại gỗ phức tạp, thêm vào gỗ có đường kính lớn, cong vênh, hệ thống dây leo chằng chịt gây khó khăn cho công việc vận xuất Một khó khăn khác khai thác gỗ hệ thống giao thông chưa phát triển Máy móc, xe cộ cho khai thác vận xuất thiếu yếu dẫn đến tình trạng lãng phí gỗ Để cải thiện điều kiện làm việc, đảm bảo an toàn cho người lao động, giảm tác động xấu tới môi trường rừng tăng suất lao động khâu công việc cần giới hoá Ở giới, khâu vận xuất gỗ đặc biệt gỗ rừng tự nhiên giới hoá từ lâu, nhiều liên hợp máy khai thác vận xuất hãng Timberjack, Somet, Valmet, Volvo…nghiên cứu, sản xuất bán rộng rãi thị trường Các trang thiết bị máy móc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ứng dụng vào thực tiễn sản xuất đem lại hiệu cao đảm bảo an toàn cho người lao động Ở Việt Nam từ năm 70 – 80 nhiều loại máy móc thiết bị đưa vào sử dụng để khai thác vận xuất gỗ Tuy nhiên việc ứng dụng trang bị máy móc vào khai thác vận xuất hạn chế Các khâu trình khai thác gỗ thủ công: Việc chặt hạ, cắt cành, cắt khúc chủ yếu rìu, cưa mang, cưa xăng, sau vận xuất bãi gỗ phương pháp lao xeo, trâu bò kéo người vác Từ vận chuyển đường (ôtô) đường thuỷ tới nhà máy Việc khai thác gỗ thủ công tốn công sức, suất thấp tác động xấu đến môi trường xung quanh Đối với rừng tự nhiên nước ta diện tích không nhiều công nghệ khai thác cần phải quan tâm nghiên cứu Ở công việc chặt hạ sử dụng cưa xăng để nâng cao tính động, việc vận xuất dùng sức kéo thủ công mà bắt buột phải áp dụng máy móc để giới hoá khâu công việc nặng nhọc Trong thời gian qua đề tài trọng điểm cấp Bộ: “Nghiên cứu công nghệ cải tiến, thiết kế chế tạo số thiết bị phục vụ khai thác chọn rừng tự nhiên nhằm nâng cao tỷ lệ tận dụng gỗ hạn chế tác động xấu đến môi trường xung quanh”, TS Nguyễn Văn Quân chủ trì số cán khoa Cơ Điện Công Trình - Trường Đại học Lâm nghiệp nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị tời cáp ngoạm lắp sau máy kéo DT – 75 để vận xuất gỗ rừng tự nhiên Quá trình khảo nghiệm khu khai thác rừng tự nhiên thuộc Ban quản lý rừng Sông Chàng - Như Xuân – Thanh Hoá, bước đầu đánh giá hiệu làm việc thiết bị Để đưa vao ứng dụng rộng rãi thực tế yêu cầu phải hoàn thiện thiết kế khí, đưa chế độ vận hành sử dụng hợp lý LHM (liên hợp máy) Do việc nghiên cứu tính chất động học động lực học thiết bị LHM cần thiết Xuất phát từ lý tiến hành thực đề tài: “ Nghiên cứu số tính chất động học động lực học thiết bị tời cáp – ngoạm gỗ lắp máy kéo DT-75 để vận xuất gỗ rừng tự nhiên” * Ý nghĩa khoa học đề tài: Xây dựng mô hình làm việc LHM kéo DT75 với thiết bị tời cáp ngoạm giữ gỗ từ đánh giá ảnh hưởng điều kiện làm việc đến khả làm việc thiết bị LHM * Ý nghĩa thực tiễn đề tài: Kết nghiên cứu sở cho việc hoàn thiện kết cấu khí thiết bị tời cáp ngoạm giữ gỗ, đồng thời phục vụ cho việc chọn chế độ sử dụng hợp lý vận xuất gỗ rừng tự nhiên 3 Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ thiết bị khai thác rừng tự nhiên giới 1.1.1 Công nghệ khai thác Ở nước phát triển lâm nghiệp Phần Lan, Thụy Điển, Nga …và nước có tài nguyên rừng phong phú Brazil, Ethiopia, …người ta thường áp dụng số loại hình công nghệ khai thác sau: Công nghệ khai thác gỗ nguyên (full-tree method): Cây gỗ sau hạ giữ nguyên cành vận xuất bãi gỗ Tại bãi gỗ người ta tiến hành cắt cành, cắt khúc theo qui cách sản phẩm, bốc lên phương tiện vận chuyển đến nơi tiêu thụ Công nghệ khai thác gỗ dài (tree-length method): Cây gỗ sau hạ cắt cành, nơi chặt hạ vận xuất bãi gỗ Tại bãi gỗ chúng cắt khúc theo qui cách sản phẩm, bốc lên phương tiện vận chuyển đến nơi tiêu thụ Công nghệ khai thác gỗ ngắn (shortwood method): Toàn thao tác hạ cắt cành, cắt khúc theo qui cách sản phẩm thực nơi chặt hạ Sau đó, khúc gỗ vận xuất đến bãi gỗ bốc lên phương tiện vận chuyển nơi tiêu thụ Các loại hình công nghệ khai thác nói chung áp dụng rộng rãi tuỳ vào khu vực, điều kiện địa hình, loại rừng đặc trưng yêu cầu bảo vệ môi trường mà áp dụng loại hình công nghệ phù hợp Ở nước phát triển hoạt động khai thác gỗ chia thành nhóm rõ ràng: Khai thác gỗ rừng tự nhiên khai thác gỗ đồn điền Đối với khu vực nhiệt đới diện tích rừng tự nhiên chiếm số lượng lớn Công nghệ thiết bị phục vụ khai thác rừng tự nhiên đòi hỏi máy móc chi phí tốn Hiện suy thoái dần rừng tự nhiên Do nước phát triển việc phát triển khu rừng trồng ưu tiên mở rộng để đáp ứng nhu cầu tương lai.[27] Trong năm gần công nghệ khai thác với việc áp dụng biện pháp giảm thiểu tác động tác động xấu đến môi trường vấn đề quan tâm nghiên cứu nhiều nước giới Hiệu khâu khai thác gỗ không tính riêng mặt kinh tế mà bao gồm hiệu biện pháp hạn chế tác động đến môi trường Hội thảo Ủy ban lâm nghiệp Châu Á – Thái Bình Dương (Asia – Pacific Foresty Commission) 2/1998 ban hành "Quy phạm thực hành khai thác rừng khu vực Châu Á – Thái Bình Dương" Quy phạm đưa hướng dẫn quy tắc khai thác rừng tự nhiên khu vực Châu Á – Thái Bình Dương nhằm giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Trong tất khâu trình khai thác gỗ, khâu vận xuất giữ vai trò quan trọng, ảnh hưởng lớn đến suất, giá thành chi phí khai thác Để giảm giá thành, tăng suất lao động, đồng thời đảm bảo yêu cầu môi trường, xã hội, nên nhiều nước giới không ngừng cải tiến công nghệ thiết bị, áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật cho khâu vận xuất Để vận xuất gỗ từ nơi chặt hạ bãi gỗ, tùy theo điều kiện nước vùng sản xuất khác mà áp dụng hình thức sau: - Hình thức vận xuất gỗ thủ công: Vác vai, súc vật kéo, - Hình thức vận xuất gỗ máng lao; - Hình thức vận xuất gỗ tời; - Hình thức vận xuất gỗ đường cáp không; - Hình thức vận xuất gỗ máy kéo; - Hình thức vận xuất gỗ khinh khí cầu máy bay 1.1.2 Hệ thống thiết bị giới hóa khai thác gỗ Hiện giới với phát triển khoa học kỹ thuật nói chung lĩnh vực lâm nghiệp nói riêng, nghiên cứu, cải tiến ứng dụng rộng rãi vào thực tế sản xuất Thiết bị chặt hạ dần cải tiến theo hướng hoàn thiện kết cấu, tăng suất, giảm tối đa chi phí nghiên cứu cải tiến LHM vừa khai thác, vừa vận xuất Các loại liên hợp máy vừa khai thác, vận xuất bốc dỡ đưa vào sử dụng rộng rãi Trên hình vẽ 1.1 LHM hạ cắt cành, cắt khúc Ở ngoạm trang bị tay thuỷ lực đồng thời ngoạm trang bị phận cắt để hạ cây, cắt cành, cắt khúc [23] Hình 1.1 LHM khai thác gỗ khúc Trong công nghệ khai thác gỗ nguyên cây, LHM vận xuất - bốc dỡ trang bị ngoạm lắp tay thuỷ lực rơmoóc Gỗ sau chặt hạ, để nguyên Sau LHM vận xuất - bốc dỡ kẹp chặt đầu gỗ cấu ngoạm, nâng vận xuất theo phương pháp nửa lết bãi gỗ Tại bãi gỗ công việc cắt cành, cắt ngọn, cắt khúc thực Trên hình 1.2 1.3 số LHM vận xuất có trang bị tay thuỷ lực với cấu ngoạm Hình 1.2 Ngoạm trang bị LHM vận xuất - bốc dỡ Hình 1.3 Vận xuất gỗ thiết bị ngoạm lắp máy kéo bánh Đối với rừng tự nhiên, địa hình khai thác khó khăn (độ dốc lớn), đường kính gỗ lớn, LHM khai thác - vận xuất yêu cầu phải có lực kéo bám lớn Đáp ứng yêu cầu có máy kéo bánh xích, loại máy kéo xích có công suất lớn, khả kéo bám ổn định cao Chính nên LHM khai thác - vận xuất có cấu bánh xích sử dụng rộng rãi nhiều quốc gia giới 7 Hình 1.4 Liên hợp máy khai thác gỗ nguyên hãng Timberjack sản xuất [26] Ở số nước Phần Lan, Nga, khai thác gỗ vùng đất yếu (đất than bùn ) người ta sử dụng máy kéo xích để vận xuất gỗ Mặt khác ta thấy rừng tự nhiên địa hình khai thác khó khăn (độ dốc lớn, khu khai thác rộng) nhằm hạn chế di chuyển máy kéo để giảm thiểu chi phí lượng, phá hoại đất rừng Trên máy kéo cần phải trang bị thêm hệ thống tời cáp để gom gỗ từ điểm khác khu vực khai thác tập trung chỗ Do số loại máy kéo xích ngoạm lắp tay thuỷ lực, trang bị thêm tời cáp để kéo gỗ khu vực khác khu khai thác theo phương pháp lết nửa lết tập trung vị trí máy kéo Theo phương pháp máy kéo đứng yên chỗ, dùng cáp buột vào đầu gỗ, sau dùng tời để kéo gỗ vị trí đỗ máy Phương pháp hạn chế di chuyển máy kéo khu khai thác giảm thiểu phá hoại đất rừng loại lại trình vận xuất (hình 1.5) 8 a b Hình 1.5 Vận xuất gỗ rừng tự nhiên thiết bị tời cáp máy kéo bánh xích a- Gom gỗ tời cáp trang bị máy kéo bánh xích; b- Vận xuất gỗ máy kéo theo phương pháp kéo nửa lết máy kéo bánh xích Hiện nghiên cứu máy kéo xích giới tập trung chủ yếu vào số hướng sau đây: [10] - Tăng công suất động cơ, giảm trọng lượng để tăng tốc độ máy kéo - Hoàn thiện hệ thống truyền lực nhờ sử dụng truyền lực thuỷ lực cho phép truyền động êm dịu - Hoàn thiện phận truyền động: Sử dụng xích cao su có vấu thép để làm việc nơi có đất yếu (áp lực lên đất cho phép 0.015 – 0.02 MPA) - Chế tạo cấu căng xích cho phép giảm lực cản chuyển động đầu kéo chuyển động tốc độ khác - Mắt xích rèn từ thép hợp kim lắp ngõng cao su cho phép mắt xích uốn lượn không bị gãy qua đá kéo dài tuổi thọ - Hoàn thiện hệ thống treo máy kéo - Hoàn thiện hệ thống khung máy: Sử dụng khung gập 9 - Tạo điều kiện thuận lợi cho người lái: Thiết kế cabin nằm cân xứng theo trục dọc máy kéo, trang bị hệ thống lò xo, giảm xóc cho ghế lái - Nghiên cứu thay dần xích làm từ kim loại vật liệu compesite để giảm thiểu phá hoại đất rừng 1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ thiết bị khai thác rừng tự nhiên Việt Nam 1.2.1 Về công nghệ khai thác Ở Việt Nam, loại hình công nghệ khai thác gỗ phổ biến khai thác gỗ ngắn Gỗ chặt hạ phương pháp thủ công cưa xăng vận xuất ven đường bãi gỗ theo phương pháp thủ công (vác vai, lao xeo trâu bò kéo) Tuy nhiên vùng, khu vực khác điều kiện địa hình, trữ lượng gỗ sở vật chất trang bị mà có công nghệ khai thác phù hợp Ví dụ Nam Trung Bộ địa hình rừng có độ dốc nhỏ, mật độ tập trung diện tích rừng lớn so với độ dốc mật độ tập trung rừng Vùng núi phía Bắc nên công nghệ khác thác khác nhiều Việc áp dụng máy móc giới hóa khai thác gỗ nói chung vận xuất gỗ nói riêng khu vực Nam Trung Bộ thuận lợi Hình 1.6 1.7 thể loại hình công nghệ khai thác gỗ điển hình Miền Bắc Tây Nguyên thuộc Nam Trung Bộ Chặt hạ (cưa xăng) Cắt khúc (Cưa xăng) Xẻ hộp (Cưa xăng) Vận xuất (Súc vật máy kéo) Bãi gỗ Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ khai thác gỗ rừng tự nhiên miền Bắc Trong sơ đồ công nghệ này, khâu chặt hạ, cắt khúc xẻ hộp chủ yếu thực chủ yếu cưa xăng Do địa hình dốc nên khâu vận xuất sơ đồ công nghệ đa số thực xúc vật kéo lao xeo Trong số trường hợp địa hình không phức tạp người ta sử dụng 10 máy kéo chuyên dùng để ngoạm gỗ sử dụng thiết bị tời cáp để gom gỗ phía chân dốc từ dùng máy kéo để vận xuất tới bãi gỗ Sơ đồ công nghệ có ưu điểm chi phí đơn vị sản phẩm thấp, điều kiện đầu tư thấp thực Tuy tỷ lệ lợi dụng gỗ thấp, gây lãng phí tài nguyên rừng Chặt hạ (cưa xăng) Cắt khúc (Cưa xăng) Vận xuất (Máy kéo) Bãi gỗ Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ khai thác gỗ rừng tự nhiên khu vực Tây Nguyên Trong sơ đồ này, khâu chặt hạ cắt khúc thực chủ yếu cưa xăng , sau cắt khúc gỗ vận xuất tới bãi gỗ nhờ máy kéo xúc vật kéo Công nghệ có ưu điểm tỷ lệ tận dụng gỗ lớn hơn, chất lượng gỗ đảm bảo chi phí giá thành đơn vị sản phẩm cao Trong công nghệ khai thác gỗ, tùy theo điều kiện trang thiết bị địa phương, khu vực, lâm trường mà kết hợp số hình thức vận xuất sau: - Vận xuất gỗ thủ công: Vác vai, trâu bò kéo - Vận xuất gỗ máng lao, lao xeo; - Vận xuất gỗ tời cáp; - Vận xuất gỗ máy kéo; - Vận xuất gỗ đường cáp treo 1.2.2 Về hệ thống thiết bị Từ năm trước, số tỉnh miền núi phía Bắc (Yên Bái, Tuyên Quang, Phú Thọ …) vùng chuyên canh trồng gỗ nguyên liệu cho 11 nhà máy giấy, phủ Thụy Điển tài trợ số máy móc thiết bị bốc dỡ vận xuất gỗ ví dụ hệ thống cáp, máy kéo Volvo… Hiện phủ Thụy Điển không tài trợ nữa, máy móc thiết bị dần hỏng hóc, phụ tùng thay khan hiếm, Đa số máy móc, thiết bị khai thác nhập từ nước Các loại máy móc thiết bị thiết kế phù hợp với điều kiện khai thác rừng nước giới Đặc điểm khai thác rừng nước ta có khác biệt rõ rệt với nước giới, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo cải tiến tạo thiết bị khai thác vận xuất phù hợp với điều kiện thực tế nước ta cần thiết Hiện nước ta việc khai thác gỗ nói riêng lâm sản nói chung chủ yếu thủ công Việc chặt hạ, cắt cành, cắt khúc thực cưa xăng, cưa mang, … Sau vận xuất vác vai, lao xeo súc vật (Trâu, Bò, ) kéo bãi gỗ Từ vận chuyển ôtô tàu, thuyền tới nhà máy Dưới số thiết bị phổ biến dùng khai thác gỗ nước ta [8] Hình 1.8 Cưa xăng Mc.culloch Husqvarna 365 [8] 12 Hình 1.9 Vận xuất gỗ súc vật kéo[8] Ở Miền Bắc nước ta địa hình đồi núi có độ dốc lớn, rừng bị chia nhỏ giao cho hộ gia đình Vì việc áp dụng giới hoá khai thác gặp nhiều khó khăn Chủ yếu khâu vận xuất thủ công súc vật kéo, máng lao… Ngoài dùng đường cáp để vận xuất gỗ Hình 1.10 Vận xuất gỗ máng lao Hình 1.11 Vận xuất gỗ đường cáp 13 Từ năm 1960, nước ta nhập đưa vào sử dụng số loại máy kéo nước phục vụ vào khâu vận xuất gỗ TDT 40, TDT 55 Sau năm 1970 nhập đưa vào sử dụng máy kéo TT 4, LKT80, LKT120 Các loại máy phù hợp với đặc điểm khai thác rừng tự nhiên với quy mô sản xuất lúc giờ.[5] Các loại máy kéo có công suất lớn, khả vận chuyển khối lượng gỗ lớn Tuy chi phí nhiên liệu, mức độ phá hoại đất rừng lớn Loại xe Reo Mỹ sản xuất trang bị thêm hệ thống tời cáp dàn khung xe nên gom gỗ từ xa, tự bốc vận chuyển gỗ Đây mẫu LHM phù hợp với điều kiện khai thác có độ dốc thấp khu vực Nam Trung Bộ.(hình 1.1.).[5] Hình 1.12 Vẫn xuất gỗ máy kéo LKT 80 kết hợp tời cáp Hình 1.13 Vẫn xuất gỗ máy kéo bánh xích TDT55 14 Hình 1.14 Vận chuyển gỗ xe Reo Năm 1980 máy kéo bánh Volvo Thụy Điển nhập vào nước ta để phục vụ cho khâu bốc dỡ vận chuyển gỗ rừng trồng khu nguyên liệu giấy, thiết bị tời cáp để gom gỗ nên máy sử dụng công tác bốc dỡ, vận chuyển Để khai thác gỗ rừng tự nhiên khai thác gỗ rừng trồng số vùng nguyên liệu giấy sợi, gỗ trụ mỏ, nhập đưa vào sử dụng số loại máy kéo, có máy kéo nông nghiệp 1.2.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng thiết bị tời cáp ngoạm để vận xuất gỗ Vận xuất gỗ trình di chuyển gỗ từ nơi chặt hạ tập trung bãi gỗ ven đường kho gỗ I từ gỗ vận chuyển đến nơi tiêu thụ Đây khâu công việc khó khăn, nặng nhọc phức tạp dây chuyền công nghệ khai thác gỗ, ảnh hưởng đến, suất, chất lượng gỗ, đất rừng Ở nước ta vài năm trở lại có nhiều nghiên cứu, cải tiến, thiết kế chế tạo trang thiết bị máy móc phục vụ cho khâu sản xuất Để tận dụng nguồn động lực sẵn có, đa số hướng nghiên cứu tập trung nghiên cứu chế tạo trang thiết bị lắp 15 máy kéo lâm nghiệp máy kéo nông nghiệp sẵn có để tạo thành LHM vận xuất gỗ Tuy hiệu mà công trình nghiên cứu đem lại chưa cao: Năm 1960 tập thể cán Phòng giới lâm trường Bắc Yên Viện Công nghiệp rừng, nghiên cứu chế tạo tời trống lắp máy kéo Krabat để vận xuất gỗ Hệ thống thiết bị đánh giá tiêu sử dụng, tính chất động học động lực học chưa nghiên cứu nên hạn chế việc lựa chọn chế độ sử dụng Năm 1972 Tiến sĩ Nguyễn Kính Thảo tập thể cán giảng dạy trường Đại học Lâm nghiệp nghiên cứu, chế tạo thành công máy kéo khung gập L35 với thiết bị tời cáp để vận xuất gỗ phù hợp với điều kiện địa hình phức tạp rừng tự nhiên Máy nhả cáp tời kéo gỗ từ xa tới bãi tập kết gỗ len lỏi khu khai thác để vận xuất gỗ theo phương pháp lết với bán kính quay vòng nhỏ.[6] Vào năm 1980, Viện khoa học Lâm nghiệp thiết kế, chế tạo thử nghiệm rơmoóc chuyên dùng trang bị tơi cáp để bốc gỗ nhỏ theo phương pháp bốc dọc kiểu xe Reo, động lực máy kéo nông nghiệp nhãn hiệu Zetor [6] Năm 1994 PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu số cán giảng dạy trường Đại học Lâm nghiệp nghiên cứu thành công đề mục đề tài cấp nhà nước KN - 03 – 04: “ Thiết kế, chế tạo khảo nghiệm thiết bị vận xuất, bốc dỡ vận chuyển để phục vụ khai thác gỗ nhỏ rừng trồng” Đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công rơmoóc trục, tời học cấu nâng đầu bó gỗ dẫn động thuỷ lực lắp máy kéo sở MTZ50 Đây thiết bị có kết hợp tời cáp cấu nâng đầu gỗ thuỷ lực giúp cho việc gom gỗ bốc gỗ lên rơmoóc hiệu quả.[6] 16 Năm 1997 nhóm cán giảng dạy trường Đại học Lâm nghiệp nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công thiết bị chuyên dùng tời khí trống cần treo gỗ chữ A lắp máy kéo DFH – 180 để vận xuất gỗ nhỏ rừng trồng Năm 2001, TS Nguyễn Tiến Đạt nghiên cứu sở lý thuyết thực nghiệm việc sử dụng máy kéo cỡ nhỏ để giới hóa khâu vận xuất gỗ rừng trồng Việt Nam Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng độ mấp mô mặt đường, tốc độ tải trọng tới số đặc tính động lực học máy kéo có công suất nhỏ với thiết bị tời cáp vận xuất gỗ rừng trồng Năm 2002, TS Nguyễn Văn Quân nghiên cứu áp dụng máy kéo bánh nông nghiệp để vận xuất gỗ nhỏ rừng trồng Đề tài xây dựng mô hình máy kéo nông nghiệp MTZ50 gom gỗ, nâng gỗ lên rơmooc xác định lực tải công nghệ tác dụng lên máy kéo trang bị chuyên dùng LHm vận xuất gỗ nhỏ rừng trồng [11] Năm 2007, Thạc sỹ Nguyễn Hồng Quang nghiên cứu dao động máy kéo Shibaura với thiết bị tời cáp vận xuất gỗ theo phương pháp kéo nửa lết, làm sở cho việc hoàn thiện thiết kế khí lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý.[6] Năm 2008, Thạc sỹ Đặng Thị Hà nghiên cứu động lực học trình khởi hành liên hợp tời cáp, cần treo gỗ lắp máy kéo cỡ nhỏ để vận xuất gỗ rừng trồng dốc dọc Làm sở cho việc đưa dẫn sử dụng liên hợp máy nhằm đảm bảo an toàn, ổn định đồi dốc khởi hành.[6] Việc sử dụng nghiên cứu tận dụng nguồn động lực sẵn có để cải tiến, thiết kế, chế tạo lắp ráp thêm số phận chuyên dùng hệ thống tời cáp trang bị máy kéo tạo thành LHM để vận xuất gỗ nước ta đạt nhiều thành quan trọng 17 Tóm lại, để hoàn thiện thiết kế khí lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý đảm bảo tính an toàn ổn định cho LHM, ứng dụng rộng rãi vào thực tiễn sản xuất cần phải nghiên cứu đầy đủ yếu tố ảnh hưởng tới khả làm việc, tính chất động học động lực học thiết bị nói chung LHM nói riêng Vì lý nên tiến hành thực đề tài: “ Nghiên cứu số tính chất động học động lực học thiết bị tời cáp – ngoạm gỗ lắp máy kéo DT-75 để vận xuất gỗ rừng tự nhiên” 18 Chương MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu Nghiên cứu số tính chất động học động lực học thiết bị tời cáp – ngoạm gỗ lắp máy kéo DT 75 để làm sở cho việc hoàn thiện thiết kế khí, xác định khả làm việc lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý thiết bị vận xuất gỗ rừng tự nhiên 2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài LHM kéo bánh xích DT75 với thiết bị tời cáp - ngoạm giữ gỗ đề tài trọng điểm cấp Bộ: “Nghiên cứu công nghệ cải tiến, thiết kế chế tạo số thiết bị phục vụ khai thác chọn rừng tự nhiên nhằm nâng cao tỷ lệ tận dụng gỗ hạn chế tác động xấu đến môi trường xung quanh” nghiên cứu, thiết kế chế tạo (Hình 2.1) Hình 2.1 - Cấu tạo LHM Máy kéo sở; Khung chính; Hộp giảm tốc; Động thuỷ lực;5 Cần treo ngoạm; Khớp nối; Khung ngoạm; Càng ngoạm Xylanh nâng hạ cần; 10 Rulô đỡ cáp 19 2.2.1 Đặc tính kỹ thuật máy kéo DT75 Máy ủi DT – 75 loại máy kéo xích công dụng chung, cấp lực kéo (tấn) Trên máy đặt động SMD - 14 SMD - 14 NG, thuộc loại động diezel xi lanh, kỳ làm mát nước Động SMD - 14 có buồng xoáy, động SMD - 14NG nhiên liệu phun trực tiếp vào buồng đốt đỉnh Piston Công suất danh định động SMD - 14 75 mã lực số vòng quay 1700 vòng /phút trục khuỷu, công suất SMD - 14 NG 80 mã lực số vòng quay trục khuỷu 1800 vòng/phút Đặc tính kỹ thuật máy ủi DT 75 ghi bảng 2.1[12] Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật máy kéo DT75 a Các số liệu chung Mã hiệu máy kéo DT - 75 DT - 75 có thùng nhiên liệu đặt bên Kích thước máy kéo, mm Rộng 1740 1890 Cao 2333 2650 Dài ( có cấu treo) 4675 4670 Khối lượng máy kéo, kg 6050 6960 Tốc độ di chuyển (km/h) ĐC SMD - 14 NG ĐC SMD - 14 Số truyền 5,45 5,15 Số truyền 6,08 5,74 Số truyền 6,77 6,39 Số truyền 7,52 7,10 Số truyền 8,37 7,90 Số truyền 9,32 8,79 Số truyền 11,60 10,05 Số lùi 4,67 4,41 Số truyền 4,5 4,12 Số truyền 5,0 4,59 Số lùi 3,7 3,53 Với hộp giảm tốc đảo chiều Tiến Lùi Với phận tăng mô men quay 20 Số truyền 3,26 4,05 Số truyền 3,64 4,52 Số truyền 4,05 5,03 Số truyền 4,50 5,54 Số truyền 5,01 6,23 Số truyền 5,57 6,94 Số truyền 6,88 8,54 Lực kéo làm việc công suất danh định động cơ, KG Số truyền 3000 Số truyền Số truyền Số truyền 2620 2300 2020 Số truyền Số truyền Số truyền 1710 1490 1110 b Động Mã hiệu SMD 14 NG SDM - 14 Phương pháp tạo thành hỗn hợp Phun trực tiếp Buồng xoáy Công suất số vòng quay danh định (mã lực) 90 85 Côg suất hữu hiệu, mã lực 85 80 1800 1700 4 Số vòng quay danh định (v/ph) Số xi lanh Đường kính xi lanh (mm) 120 Hành trình Piston, (mm) 140 Dung tích làm việc xi lanh, lít 6,33 Tỷ số nén Suất tiêu hao nhiên liệu (g/mã lực.h) 17 185 c Hệ thống truyền lực Bộ ly hợp Khô, đĩa đóng Truyền lực đăng Trục với bạc đàn hồi 190 21 Hộp số Cơ học cấp Cơ cấu chuyển hướng phận giảm tốc hành tinh với phanh dải Phanh dừng phanh dải Truyền lực cuối Cặp bánh trụ Trục thu công suất (568 vòng/phút) theo chiều kim đồng hồ 2.2.2 Thông số kỹ thuật tời cáp lắp máy kéo Tời cáp lắp sau máy kéo sở hệ thống khung đỡ làm thép 45 Một số thông số tời cáp có liên quan đến trình tính toán thể bảng sau: Bảng 2.2 – Thông số tời cáp[12] Thông số TT Đơn vị Giá trị Số lớp cáp trống tời Lớp Dung lượng cáp m 1000 Đường kính cáp mm 14 Đường kính trống tời mm 200 2.2.3 Thông số kỹ thuật ngoạm gỗ Càng ngoạm lắp treo nâng hạ hệ thống xilanh, tất cum chi tiết lắp với khung máy Một số thông số ngoạm thể bảng 2.3: Bảng 2.3 – Thông số kỹ thuật ngoạm[12] TT Thông số Đơn vị Giá trị Độ mở lớn ngoạm mm 1500 Đường kính gỗ nhỏ ngoạm mm 200 Chiều cao nâng ngoạm lớn mm 1500 22 2.3 Phạm vi nghiên cứu Để đảm bảo tính khoa học nội dung nghiên cứu đề tài giới hạn phạm vi sau: Ta thấy chu kỳ làm việc thiết bị tời cáp ngoạm trải qua số thao tác sau: Gỗ sau chặt hạ cưa xăng, cắt cành, cánh cắt khúc Sau dùng máy kéo trang bị tời cáp để gom gỗ theo phương pháp kéo lết đến đường vận xuất gom đủ tải trọng chuyến dùng ngoạm, ngoạm chặt gỗ vận xuất bãi gỗ theo phương pháp lết Do điều kiện thời gian kinh phí, luận văn tập trung nghiên cứu trình gom gỗ thiết bị tời cáp 2.4 Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, luận văn tập trung giải nội dung sau: 2.4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Xây dựng mô hình làm việc LHM gom gỗ tời cáp - Thiết lập phương trình động học động lực học gỗ kéo gỗ tời cáp - Mô trình gom gỗ tời cáp LHM - Xác định khả làm việc LHM gom gỗ 2.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm - Xác định hệ số ma sát gỗ mặt đất gom gỗ - Xác định toạ độ trọng tâm LHM - Xác định lực kéo cáp tời gom gỗ số dạng địa hình tải trọng cụ thể 23 2.5 Phương pháp nghiên cứu 2.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu động học động lực học thiết bị tời cáp ngoạm lắp sau máy kéo DT -75 để vận xuất gỗ, trước hết cần xây dựng mô hình tính toán Mô hình phải phản ánh đặc điểm hệ thống Trong phạm vi đề tài sử dụng số phương pháp sau để nghiên cứu: a Phương pháp giải tích: Theo phương pháp sau lập mô hình tính toán, dựa vào định luật học để mô tả chuyển động học phương trình vi phân Việc lựa chọn phương pháp để thiết lập phương trình vi phân hệ nhiều bậc tự phụ thuộc vào mô hình học máy Đối với cấu đàn hồi người ta sử dụng phương pháp lực, phương pháp biến dạng, phương pháp phần tử hữu hạn; hệ phức tạp người ta sử dụng phương pháp hệ (phương pháp tách cấu trúc); hệ gồm chất điểm, chất rắn, phần tử lò xo, phần tử cản người ta thường dùng phương trình Lagranger loại II Cụ thể phạm vi luận văn sử dụng phương trình định luật Newton để thiết lập phương trình chuyển động gỗ Dạng phương trình:   F  ma Trong đó: m – Khối lượng gỗ, kg a – Gia tốc gỗ, m/s2 F – Lực tác động lên gỗ, N (2.1) 24 b Phương pháp mô phỏng: Sau dùng phương pháp giải tích để lập phương trình vi phân chuyển động gỗ hay gọi phương trình trạng thái ta dùng phương pháp mô để giải mô phương trình vi phân: Để giải mô phương trình trạng thái có nhiều phần mềm, phần mềm có ứng dụng rộng rãi Matlab –Simulink: Matlab chương trình phần mềm lớn lĩnh vực toán số, phần cốt lõi chương trình bao gồm hàm số toán, chức nhập/xuất khả điều chỉnh chương trình, cho phép người dùng tạo thêm bổ sung công cụ chuyên dụng mà người sử dụng cần Simulink phần chương trình mở rộng matlab nhằm mục đích mô hình hóa, mô khảo sát hệ thống động học Giao diện đồ họa hình Simulink cho phép thể hệ thống dạng sơ đồ tín hiệu với khối chức quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng việc phong phú khối chức cho hệ tuyến tính, phi tuyến tính gián đoạn Hơn thế, người sử dụng tự tạo khối riêng cho Sau xây dựng mô hình hệ thống cách ghép khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc hệ, ta khởi động trình mô Trong trình mô ta trích tín hiệu vị trí sơ đồ hiển thị đặc tính lên hình lưu trữ số liệu vào nhớ, việc nhập thay đổi tham số tất khối đơn giản cách trực tiếp thông qua Matlab cụ thể khối chức dùng để mô sau: [13], [9], [22], [24, [25] Khối Constant: Khối tạo nên số thực phức, số riêng lẻ (Scalar), vecter hay ma trận, tùy theo ta khai báo tham số 25 Constant Value ô Interpret vector parameters as 1-D có chọn hay không Khối Scope: Khối có chức hiển thị tín hiệu trình mô phỏng, mở khối Scope từ trước ta theo dõi trực tiếp diễn biến tín hiệu, hình tín hiệu ta phóng to hay thu nhỏ tín hiệu cài đặt thuộc tính hiển thị tín hiệu Khối To Workspace: Khối có chức gửi số liệu đầu vào khối tới môi trường Matlab Wokspace dạng cột (mảng) lấy chuỗi ký tự khai Variable name (tên biến) để đặt tên cho tập số liệu ghi Khối Display: Khối có chức hiển thị giá trị đầu vào, nhờ khối ta lấy giá trị xác tín hiệu (ví dụ: tìm nghiệm phương trình) Khối Sum: Đầu khối Sum tổng sở đầu vào, khối có chức phép toán cộng (trừ), hình dạng chúng thay đổi tùy theo người dùng, hình tròn (ground) hay hình chữ nhật (rectangle) Khối Subtract: Dùng để công trừ tín hiệu trình mô Khối Product (divide): Khối có chức thực phép nhân hay chia nhân chia phần tử hay ma trận, số lượng đầu vào lựa chọn phép nhân hay chia đầu vào khối người sử dụng khai báo 26 Khối Math Function: Khối có lượng lớn hàm toán tích hợp sẵn ô Function, cho phép người sử dụng lựa chọn theo nhu cầu, luận văn ta dùng để tính hàm u2 (square) hàm bậc (Sqrt) Khối Gain: Khối có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu vào biểu thức khai báo ô Gain, luận văn ta sử dụng chúng để đặt cổng vào hệ số ma sát fd hệ số tải trọng động kd Khối Mux: Khối Mux giống chập kênh, có tác dụng chập tín hiệu riêng rẽ (tín hiệu Scalar hay vector) thành vector tín hiệu Trong luận văn ta sử dụng chúng để vẽ tín hiệu Scope From file: Dữ liệu từ qua trình mô simulink lưu lại dạng đuôi mat sau xuất để dùng vào trình hay phần mền khác 2.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Trong hệ thống LHM vận xuất gỗ có nhiều mối quan hệ thông số mà trình nghiên cứu lý thuyết ta bỏ qua mô hình toán đơn giản hoá Do để kiểm chứng kết lý thuyết tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Trong trình nghiên cứu thực nghiệm, để xác định lực kéo cáp tời gom gỗ ta sử dụng phương pháp đo đại lượng không điện điện [3] 27 Hiện có nhiều phương pháp để đo đại lượng không điện nói chung phổ biến nguyên tắc biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện trung gian qua khuếch đại từ xác định đại lượng cần đo, sơ đồ nguyên lý chung hình (2.2) Hình 2.2 Nguyên lý đo đại lượng không điện điện - Cảm biến: Về mặt cấu tạo cảm biến nhiều chuyển đổi đo bố trí trực tiếp đối tượng cần đo - Bộ xử lý khuếch đại: Dùng đề xử lý tín hiệu khuếch đại chúng lên nhiều lần trước cấp cho hiển thị - Bộ phận hiển thị: Dùng để hiển thị kết đo, giấy (với dao động ký điện từ), băng từ nhớ, ảnh dạng kỹ thuật số Hiện nay, phận xử lý, khuếch đại, hiển thị, lưu trữ tích hợp chung vào thiết bị với phần mền riêng để điều khiển gọi thiết bị thu thập khuếch đại thông tin đo lường kết nối với máy tính, vài thiết bị phần mền thông dụng như: Thiết bị DMCplus phần mền DMCLaplus, thiết bị spider phần mền điều khiển Spider – control, phần mền Catman phần mền điều khiển lúc phần mền 28 Chương KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA THIẾT BỊ TỜI CÁP - NGOẠM GỖ LẮP TRÊN MÁY KÉO DT 75 ĐỂ VẬN XUẤT GỖ RỪNG TỰ NHIÊN 3.1 Xây dựng mô hình nghiên cứu Mục tiêu đặt toán xây dựng mô hình gom gỗ LHM để nghiên cứu ảnh hưởng số thông số điều kiện làm việc góc dốc địa hình kéo gỗ, vị trí đỗ máy đường, khối lượng gỗ, đến khả làm việc thiết bị tời cáp ổn định chống lật LHM Như trình bày công nghệ khai thác gỗ nước ta chủ yếu công nghệ khai thác gỗ khúc: Gỗ sau chặt hạ cắt cành, cắt khúc với chiều dài khúc khoảng 2,5 – m vị trí khai thác Sau dùng tời kéo gom gỗ theo phương pháp kéo lết tập trung cạnh đường vận xuất máy kéo đủ tải trọng chuyến dùng ngoạm để kẹp chặt đầu khúc gỗ nâng đầu gỗ lên kéo theo phương pháp kéo nửa lết bãi gỗ Trong trình xây dựng mô hình gom gỗ tời cáp LHM chấp nhận số giả thiết sau: [11] - Mặt phẳng kéo gỗ mặt phẳng có góc dốc không đổi; - Điểm tiếp xúc dây cáp trống tời cố định; - Bỏ qua ảnh hưởng mấp mô đường vận xuất, dao động dây cáp; - Bỏ qua quay gỗ trình chuyển động xét đến chuyển động trượt nó; - Hệ số ma sát gỗ mặt đất không đổi trình kéo gỗ; - Xem gỗ chất điểm có khối lượng đặt trọng tâm Từ ta xây dựng mô hình làm việc LHM gom gỗ tời cáp sau: 29 ZT ZA ZB Z X z h0 XT E F O H L 0B OA = OT Nd o G mk F B0 C Fd G YB Y YA YT XA B XT = X o OA =OT 0B Hình 3.1 – Mô hình tính toán trình gom gỗ LHM 1- Cây gỗ; – Cáp kéo; – LHM Trên mô hình: F- Lực kéo cáp tời, N; Fd – Lực ma sát gỗ mặt đất, N; Nd – Phản lực mặt đất lên gỗ, N; G – Trọng lượng gỗ, N; XB 30  - Góc dốc dọc, độ; L – chiều dài gỗ, m;  - Góc hợp phương lực kéo phương chuyển động gỗ; H – Khoảng cách từ điểm tiếp xúc cáp trống tời đến mặt phẳng đỗ máy, m;  - Góc phương chuyển gỗ mặt đỗ máy, độ; B0 - Khoảng cách từ OA đến giao tuyến mặt phẳng đỗ máy mặt phẳng kéo gỗ, m; Gmk – Trọng lượng LHM, N; h0 – Chiều cao trọng tâm máy kéo, m; z0 – Khoảng cách từ điểm tiếp xúc cáp trống tời đến mặt phẳng kéo gỗ, m;  - Góc đặt máy (hợp trục đối xứng dọc máy kéo với phương kéo) B – Khoảng cách tâm dải xích, m 3.2 Thiết lập phương trình động học động lực học trình gom gỗ Từ mô hình gom gỗ tời cáp LHM, ta thấy trình gom gỗ tời cáp chia làm giai đoạn : - Giai đoạn đầu giai đoạn khắc phục khe hở cáp gỗ, sau lấy đà (thắng lực tĩnh trọng lực, ma sát, phản lực đất, lực quán tính) Trong giai đoạn vận tốc cáp tời tăng dần từ  v0 ( v0 = const) - Giai đoạn thứ giai đoạn chuyển động bình ổn gỗ với vận tốc cáp tời v0 = vt = const Đồng thời tọa độ trọng tâm gỗ đạt đến giá trị x t Để khảo sát chuyển động gỗ trình gom hệ quy chiếu chọn hình 3.2 31 ZA = ZT Z Y E X YA YT O H F XT OA = O T XA B0 F Nd C Fd G Hình 3.2 Các hệ quy chiếu khảo sát chuyển động gỗ - Hệ toạ độ thứ (OXYZ)A: gốc OA trùng với hình chiếu điểm tiếp xúc dây cáp với trống tời xuống mặt đỗ máy, trục OAXA trùng với trục dọc máy kéo, OAZA vuông góc với mặt đường - gọi hệ quy chiếu máy kéo - Hệ toạ độ thứ hai (OXYZ)T: gốc OT  OA, trục (OZ)T  (OZ)A, trục (OX)T (OY)T lệch góc  so với hệ toạ độ (OXYZ)A (  - góc đỗ máy) - Hệ toạ độ thứ ba OXYZ: gốc O trùng với hình chiếu điểm E (điểm tiếp xúc dây cáp trống tời) xuống mặt phẳng kéo gỗ, trục OZ vuông góc với mặt kéo gỗ Gọi khoảng cách từ điểm E đến mặt phẳng đỗ máy kéo EOA = H, khoảng cách từ E đến mặt phẳng kéo gỗ z0, : z0  (H  B0tg ).cos (3.1) Trong : B0 - Khoảng cách từ OA đến giao tuyến mặt phẳng đỗ máy mặt phẳng kéo gỗ; 32  - Góc mặt đường mặt kéo gỗ H- Khoảng cách từ điểm tiếp xúc cáp tời tang tời đến mặt phẳng đỗ máy Giả sử gỗ có chiều dài L, khối lượng m tập trung trọng tâm C (xc, yc) Trong hệ toạ độ OXYZ, lực tác dụng lên gỗ gồm: Trọng    lượng gỗ G ; lực kéo cáp tời F ; phản lực mặt đất lên gỗ N d ;  lực ma sát đất lên gỗ Fd  - Trọng lượng G phân tích sau:     G  (mg cos ).k  (mg sin  ).i  j (3.2)    Trong đó: i , j , k - véc tơ đơn vị trục OX, OY, OZ;  - góc dốc mặt kéo gỗ - Phản lực mặt đất lên gỗ:   N d  N d k - Pj - Lực quán tính gỗ vận xuất:  j  Pj  G i g (3.3) (3.4) Trong đó: j - gia tốc chuyển động (m/s2) g - gia tốc trọng trường (m/s2) G - Trọng lượng gỗ vận xuất (N) Do trình gom gỗ diễn với vận tốc nhỏ (v = 0,8 -1,2 m/s) nên xem j = Vì Pj = - Lực kéo cáp tời :   F CE  F [CE ] (3.5) 33 Trong đó:    CE   xc i  yc j  z0 k  (3.5*) Thay vào (3.4) ta được:  F F x C  yC2  Z 02    ( xC i  yC j  z0 k )     F  F0 ( xC i  yC j  z0 k ) Hay F0  Với (3.5**) (3.6) F xC2  yC2  z02 - Lực ma sát có độ lớn Fd  f d Nd ( f d - hệ số ma sát gỗ mặt đất), ngược chiều với vận tốc gỗ đặt trọng tâm đó:      vCX i  vCY j  vCZ k  Fd   N d f d   v   (3.7)  x i  y j   C  Fd   N d f d  C 2  xC  y C  (3.7*) Hay Phương trình vi phân chuyển động gỗ tác dụng hệ lực sau:   y C myC   F0 yC  N d f d    xC2  y C2      m x   F x  G sin   N f  C C d d       xC  xC2  y C2  (3.8) Hệ phương trình vi phân 3.8 gọi phương trình vi phân chuyển động tổng quát gỗ trình gom gỗ Như phân tích trình gom gỗ chia làm giai đoạn sau: 34 a Giai đoạn lấy đà: Quá trình lấy đà xảy nhanh lực kéo cáp tời có trị số không đổi tính theo công thức sau:[12] Fđ  kđ F  kđ mg( fd cos  sin  ) cos  fd sin  (3.9) Trong đó: Fđ – Lực kéo lớn tời cáp giai đoạn lấy đà; F – Lực kéo trung bình giai đoạn bình ổn; kđ - Hệ số tải trọng động; m – Khối lượng gỗ; fd – Hệ số ma sát gỗ mặt đất;   Góc hợp phương lực kéo phương chuyển động gỗ   arctg z0 xc20  yc20 (3.10) xc0, yc0 – Tọa độ trọng tâm ban đầu gỗ; z0 – Khoảng cách từ điểm tiếp xúc cáp với tang tời đến mặt phẳng kéo gỗ Đặt F0*  F0 Fđ  m m xc2  yc2  z02 (3.11) Chiếu tất lực theo phương z, ta được: Nd  G cos  F0 z0 (3.12) Thay 3.12 3.11 vào 3.8 ta có:    y c  yC   F0* yC  ( g cos  F0* z0 )  f d 2   xc  y c      xC * *  f d xC   F0 xC  g sin   ( g cos  F0 z0 ) 2    x  y  C   C  (3.13) 35 Phương trình (3.13) phương trình vi phân chuyển động gỗ giai đoạn đầu trình gom gỗ b Giai đoạn chuyển động bình ổn: Trong giai đoạn thứ hai trình gom gỗ chuyển động với vận tốc không đổi (vt = const) lúc tới vị trí đặt máy điều kiện kết thúc trình cáp tời đạt giá trị v t’ Từ mô hình gom gỗ LHM ta có: CE  xc2  yc2  z02 (3.14) Lấy đạo hàm cấp phương trình (3.14) ta được: CE dCE  xc xc  yc y c dt (3.15) Lấy đạo hàm cấp (3.15) ta được: d 2CE  dCE  2 CE    xc  y c  xc xc  yc yc dt  dt  (3.16) Từ giả thiết ta có v0 = const đó: v02  xc2  yc2  xc xc  yc yc (3.17) Phương trình chuyển động gỗ giai đoạn chuyển động bình ổn:     y   * * c   f d    yC   F0 yC  ( g cos   F0 z ) 2  x c  y c     x   * * C   f d   x   F x  g sin   ( g cos   F z )  C C 0 2     x C  y C   g f ( x x  y y ) cos   v02  x c2  y c2  g.xc sin   d c c c c  x c2  y c2 * F0  z f d ( xc x c  y c y c )  2  ( x  y )  c c  x c2  y c2  (3.18) 36 Phương trình 3.18 gọi phương trình vi phân chuyển động gỗ giai đoạn bình ổn Để giải hệ phương trình 3.13 3.18 ta đặt: y1  xc ; y2  yc ; y3  xc ; y4  y c Ta hệ:  y1  xc  y  y  c   y  xc  y  yc (3.19) Thay giá trị từ (3.13) (3.18) vào (3.19) ta được:  y1  y3  y  y   y3 *  y   F y  g sin   ( g cos   F0* z0 ) f d  2 y3  y4   y4 * ( g cos   F0* z0 ) f d  y   F0 y2  x3  y42  (3.20) Phương trình vi phân (3.20) gọi phương trình trạng thái gỗ hay gọi phương trình vi phân chuyển động gỗ [7] 3.3 Khảo sát số tính chất động lực học trình gom gỗ 3.3.1 Lực kéo cáp tời hệ tọa độ - Trong hệ tọa độ OXYZ lực kéo cáp tời viết sau     (3.21) F  Fz k  Fx i  Fy j - Trong đó: Fx, Fy, Fz lực kéo cáp tời theo phương x, y, z Fz  Fo zo (3.21a) Fx  F0 xc (3.21b) Fy  F0 yc (3.21c) 37 Thay vào 3.21 ta có: F  F0 z0  F0 xc  F0 yc (3.22)  - Trong hệ tọa độ ( OXYZ) T lực F xác định theo biểu thức sau:     F  (Fx cos  Fz sin  ).iT  Fy jT  (Fx sin   Fz cos )kT (3.23)  - Trong hệ quy chiếu máy kéo (OXYZ)A lực F viết:    F  Fx cos   Fz sin   cos   Fy sin  i A   Fx cos   Fz sin  sin   Fy cos  j A  (3.24)  (Fx sin   Fy cos )k A     3.3.2 Mô men lực kéo cáp gây hệ tọa độ  - Mô men lực F hệ (OXYZ) T :   M  OT E  F , hay:      M  H kT  Fx cos  Fz sin  .iT  Fy jT  Fx sin   Fz cos kT    ==> M  H Fx cos   Fz sin   jT  H Fy iT (3.25)  - Mô men lực F hệ tọa độ máy kéo (OXYZ) A :   M  OA E  F , hay    M  Fx cos  Fz sin   cos   Fy sin  H jA   Fx cos  Fz sin   sin   Fy cos  H iA       (3.26) 3.3.3 Mô men gây lật LHM máy gom gỗ Từ mô hình xây dựng hình (3.1) ta thấy điều kiện địa độ dốc  , góc đặt máy  thành phần lực gây ổn định cho LHM lực kéo cáp tời gom gỗ Bao hàm nhiều thông số đầu vào tác động trực tiếp gián tiếp đến ổn định LHM Để nghiên cứu mô men lật LHM gom gỗ, ta gắn hệ tọa độ (OXYZ)B vào mô hình LHM xây dựng gốc O B trùng với tâm vết tiếp xúc bánh 38 chủ động máy kéo với mặt đất, trục OB X B qua tâm vết tiếp xúc dải xích với mặt đất, trục OBYB qua tâm vết tiếp xúc hai dải xích bị bánh chủ động phía sau với mặt đất; trục OB Z B vuông góc mặt đỗ máy kéo Khi kéo gỗ tác dụng lực kéo cáp tời, máy kéo có xu hướng bị lật ngang quanh trục OB X B ( OB X B - gọi trục lật ngang) lật dọc quanh  trục OBYB ( OBYB - gọi trục lật dọc) Mô men lật lực F gây hệ tọa độ (OXYZ) B là:   M  OB E  F Trong đó: (3.27)   B  OB E   L.i  j  H k (3.28) Với L – Tọa độ trọng tâm LHm theo chiều dọc; H- Khoảng cách từ điểm tiếp xúc cáp tời tới mặt phẳng đặt máy; B – Chiều rộng tâm dải xích Thay (3.23) (3.28) vào (3.27) ta được:   M  Fx cos   Fz sin  cos   Fy sin  H  LFx sin   Fz cos   j A       B      Fx cos   Fz sin  sin   Fy cos  H  Fx sin   Fz cos   i A  2    B      Fx cos   Fz sin  sin   Fy cos  L  Fx cos   Fz sin   cos   k A (3.29) 2   Trong công thức (3.29) hệ số i A , tức thành phần:    B M x   Fx cos   Fz sin  sin   Fy cos  H  Fx sin   Fz cos   (3.30) Thành phần có xu hướng làm cho máy lật ngang – gọi mô men lật ngang;  Hệ số j A , tức thành phần:   M y  Fx cos   Fz sin  cos   Fy sin  H  Fx sin   Fz cos  L (3.31) 39 Thành phần có xu hướng làm cho LHM máy lật dọc – gọi mô men lật dọc;  Hệ số k A , tức thành phần:   M z   Fx cos   Fz sin   sin   Fy cos  L  B Fx cos   Fz sin   cos  (3.32) Thành phần có xu hướng làm cho LHM xoay quanh trục OB Z B 3.4 Mô trình biến đổi số yếu tố động học động lực học LHM gom gỗ 3.4.1 Giai đoạn lấy đà a Xây dựng chương trình mô Từ công thức (3.20) kết hợp với (3.11), (3.22), (3.30), (3.31) (3.32) sử dụng khối chức Library Browser Simulink ta xây dựng chương trình mô trình biến đổi vận tốc gỗ đặt trọng tâm, lực kéo cáp tời mô men gây giai đoạn đầu trình gom gỗ dạng sơ đồ khối hình 3.3 40 Hình 3.3 – Chương trình mô trình gom gỗ giai đoạn đầu b Kết mô Trong giai đoạn đầu giải mô hình với thông số cho trường hợp cụ thể gom gỗ sau:   350 ; H  1.1m;  100 ; B0  1.2m; kd  1.6; m  3500kg; B  1.89m;   300 xc0  3.74; yc0  1.56; f d  0.606 Các kết xuất dạng ma trận simout khối scope mô hình mô cho ta đồ thị biến đổi thông số: (phụ lục1,2) - đồ thị biểu diễn trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm ( xc ) theo phương x hình 3.4 41 - đồ thị biểu diễn trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm ( y c ) theo phương y hình 3.5 - đồ thị biểu diễn trình biến đổi lực kéo cáp tời tời gom gỗ hình 3.6 - đồ thị biểu diễn trình biến đổi mômen gây lật xoay LHM theo phương x, y, z hệ tọa độ (OXYZ)B hình 3.7 Hình 3.4– Đồ thị biểu diễn trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm ( xc ) kéo gỗ giai đoạn đầu Hình 3.5– Đồ thị biểu diễn trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm ( y c ) kéo gỗ giai đoạn đầu 42 Hình 3.6– Đồ thị biểu diễn trình biến đổi lực kéo cáp tời kéo gỗ giai đoạn đầu Hình 3.7 – Đồ thị biểu diễn trình biến đổi mô men gây lật quay LHM theo phương x, y, z giai đoạn đầu trình gom gỗ c Nhận xét Từ đồ thị hình 3.4 3.5 ta thấy giai đoạn đầu trình gom gỗ vận tốc gỗ biến đổi lớn đặc biệt khoảng 50s đầu Trong giai đoạn ta thấy lực kéo cáp tời biến đổi nhanh đặc biệt 50s đầu, cụ thể Fmax  35200(N), Fmin  -31177(N) Khi mô men 43 lực gây biến đổi nhanh: Mô men lật theo phương x (Mô men lật ngang) đạt giá trí Mmax  41531Nm, Mmin  -41150Nm Mô men lật theo phương y (mô men lật dọc) đạt giá trị Mmax  30705Nm, Mmin  23000Nm Mô men theo phương z làm cho LHM xoay quanh OBzB đạt giá trị Mmax  12568Nm, Mmin  -17531Nm 3.4.2 Giai đoạn chuyển động bình ổn a Xây dựng chương trình mô Từ công thức (3.20) kết hợp với (3.18), (3.22) (3.30), (3.31) (3.32) sử dụng khối chức Library Browser Simulink ta xây dựng chương trình mô trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm, lực kéo cáp tời mô men gây giai đoạn chuyển động bình ổn trình gom gỗ dạng sơ đồ khối hình 3.8 Hình 3.8 – Chương trình mô trình gom gỗ giai đoạn chuyển động bình ổn 44 b Kết mô Trong giai đoạn chuyển động bình ổn, giải mô hình với thông số đầu vào kết cuối giai đoạn đầu: y1'=0.00035, y2' = -4.69e-005, y3' = 0,01, y 4'  0,02 Các thông số lại giai đoạn đầu Quá trình mô cho ta đồ thị biểu diễn trình biến đổi thông số:(phụ lục 3,4) - đồ thị biểu diễn trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm ( xc , y c ) theo phương x,y hình 3.9 3.10 - đồ thị biểu diễn trình biến đổi lực kéo cáp tời hình 3.11 - đồ thị biểu diễn trình biến đổi mô men lật xoay theo phương x,y,z hình 3.12 Hình 3.9 – Đồ thị biểu diễn trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm ( xc ) kéo gỗ giai đoạn chuyển động bình ổn Hình 3.10 – Đồ thị biểu diễn trình biến đổi vận tốc gỗ trọng tâm ( y c ) kéo gỗ giai đoạn chuyển động bình ổn 45 Hình 3.11 – Đồ thị biểu diễn trình biến đổi lực kéo cáp tời kéo gỗ giai đoạn chuyển động bình ổn Hình 3.12 – Đồ thị biểu diễn trình biến đổi mô men gây lật quay theo phương x, y, z giai đoạn chuyển động bình ổn trình gom gỗ c Nhận xét Trong giai đoạn chuyển động bình ổn lực kéo tời cáp giảm ổn định dần cụ thể từ đồ thị 3.11 lực kéo cáp tời dao động khoảng F  26000  29000(N) Tương ứng mô men lực kéo cáp gây biến đổi chậm dần dao động khoảng giá trị nhỏ Từ đồ thị 3.12 ta thấy mô men lật ngang dao động từ Mx  2500  12500(Nm), mômen lật dọc My  -12000  -7000(N.m) mômen gây xoay LHM theo phương z: Mz  -13000  -7500(N.m) 46 3.5 Nghiên cứu khả làm việc LHM gom gỗ 3.5.1.Xác định khả kéo tời Để kiểm tra khả làm việc thiết bị, vào công suất thiết bị lựa chọn lắp đặt LHM Ta có sơ đồ hệ thống truyền lực dẫn động cho tời ngoạm sau: Hình 3.13 – Sơ đồ hệ thống truyền lực dẫn động từ trục thu công suất máy kéo DT75 1- Trục trống tời; 2- Hộp giảm tốc bánh cấp; –Phanh; 4- Mô tơ thủy lực; 5-Hộp phân phối; 6-Hướng dầu thủy lực điều khiển đóng mở nâng hạ ngoạm; 7- Bơm thủy lực; –Hộp giảm tốc bánh răng; 9-Trục thu công suất Theo phương án thiết kế, tời dẫn động từ nguồn động lực trục thu công suất máy kéo sở, thông qua khớp nối hộp tăng tốc bánh cấp dẫn động cho bơm thủy lực Từ bơm dầu thủy lực cung cấp cho động thủy lực xilanh điều khiển đóng mở, nâng hạ ngoạm gỗ Tùy vào thời điểm hoạt động mà lượng dầu cung cấp cho động thủy lực điều khiển việc nhả cáp tời hay cung cấp cho xilanh đóng mở nâng hạ ngoạm Căn vào [19], [20], [21] ta có số thông số kỹ thuật bơm động thủy lực: 47 - Động thủy lực mã hiệu B1 – MRCN400, áp suất max: p = 210kg/cm2, lưu lượng riêng q = 396cm3/vòng - Bơm thủy lực mã hiệu: W4SAEC90, áp suất p max = 250kg/cm2, lưu lượng riêng q = 90cm3/vòng Từ sơ đồ hệ thống truyền lực ta có: Nttcs  Nđc tluc (3.33) Trong đó: Nttcs - Công suất trục thu công suất, kw N đc - Công suất động máy kéo DT75, N đc =58,88kw tluc - Hiệu suất chung hệ thống truyền lực, tluc =0,91 Thay vào 3.33 ta được: Nttcs  53,52kw (3.34) Để đảm bảo hoạt động bơm trục thu công suất: Nb  Nttcs  (3.35) Trong đó: Nb  0,00167Qb pb nb qb 1400.90   126 (l/p) 1000 1000 (3.35b)   k o3 br2  1.0,973.0,962  0,84 (3.35c) Qb  Với (3.35a) Nb - Công suất bơm, kw Qb - Lưu lượng bơm, l/p pb - Áp suất làm việc bơm, kg/cm2  - Hiệu suất hộp tăng tốc  k - Hiệu suất khớp nối br - Hiệu suất truyền bánh  o - Hiệu suất cặp ổ lăn 48 Thay (3.34), (3.35a,b,c) vào (3.35) ta có: pb max  214 (kg/cm2) (3.36) Ta thấy bơm cung cấp dầu cho động thủy lực xilanh đóng mở, nâng hạ ngoạm Tuy nhiên trình gom gỗ sau dịch chuyển máy kéo đến vị trí gom gỗ Lúc bơm cung cấp dầu thủy lực cho động để thực công đoạn gom gỗ Do Qđc  Qb Xét trường hợp Qđc  Qb  126 (l/p), đó: nđc  1000.Qđc 1000.126   318,18 (v/p) qđc 396 (3.37) Tượng tự ta có: Hay Nđc  Nb  (3.38) pđc max  179,76 (kg/cm2) (3.39) Theo tài liệu [16] ta có: M đc  pđc max qđc  1132,95 (N.m) 20 (3.40) Trong đó: Mđc – Mô men quay trục động thủy lực, N.m qđc- Lưu lượng riêng động thủy lực (cm3/vòng) Mặt khác ta lại có: Nt   N đc (3.41) Trong đó: Nt – Công suất trục trống tời, N.m Nđc – Công suất trục động cơ, N.m Hay M t nt   M đc nđc  M t  M đc ich  (3.42) (3.43) Với: Mt – Mô men quay trục trống tời, N.m Mđc – Mô men quay trục động cơ, N.m  - Hiệu suất chung,  br2 o3.k  0,962.0,973.1  0,84 49 br - Hiệu suất cặp bánh hộp giảm tốc  o - Hiệu suất cặp ổ lăn  k - Hiệu suất khớp nối ich  nđc nt ( tỷ số truyền chung hệ thống truyền lực) Khảo sát trình gom gỗ, với dung lượng cáp 1000m, quãng đường gom từ 100 – 200m ta thấy trình thường lớp cáp thứ năm Vì ta tính toán số vòng quay trống tời lớp cáp Số vòng quay trục trống tời lớp cáp thứ 5: nt  60.1000.v 60.1000.1,2   70,3 (v/ph)  D5  326 ich  Như 318,18  4,52 70,3 (3.43a) (3.43b) Thay giá trị (3.43a,b) vào (3.43) ta có: M t  4301,58 (N.m) (3.44) Lực kéo căng cáp : F 2M t D Trong đó: F- Lực kéo căng cáp tời, N D- Đường kính tang tời, mm Dmin  Dt  dc  200  14  214 (mm) Dmax  Dt  (2z 1)  200  (2.5 1)  326 (mm) Với: dc – Đường kính cáp tời, dc =14mm z- Số lớp cáp, z = (3.45) 50 Ta có: Fmin  2M t 2.4301,58   26390 (N) Dmax 0,326 (3.45a) Fmax  2M t 2.4301,58   40201,68 (N) Dmin 0,214 (3.45b) 3.5.2 Khảo sát khả làm việc LHM a Xác định lực kéo cáp cần thiết gom gỗ Ở nước ta công nghệ khai thác gỗ chủ yếu công nghệ khai thác gỗ khúc gỗ sau chặt hạ cắt cành, cắt khúc vị trí khai thác Quá trình khảo sát trường khai thác rừng tự nhiên số khu vực điển hình đại diện cho vùng Miền Bắc, Trung Tây nguyên nước ta cho thấy: Kích thước gỗ rừng tự nhiên thường khai thác có đường kính trung bình dao động từ (30 ÷ 80) cm, chiều dài khúc gỗ vận xuất chủ yếu nằm số kích thước điển 2,5; 4,5; 7; 9(m) Từ công thức 3.9 ta thấy lực kéo cáp phụ thuộc vào khối lượng gỗ m, độ dốc mặt đường vận xuất  góc hợp phương chuyển động gỗ phương dây cáp  (do quảng đường kéo gỗ xa nên xem   ) Như lực kéo cáp F  f (m, ) Chọn trị số độ dốc dọc    55 , khối lượng gỗ tương ứng với chiều dài l đường kính d Trường hợp thứ l = 2,5m, từ công thức 3.9 ta xây dựng đồ thị biểu diễn lực kéo cáp phụ thuộc vào đường kính gỗ độ dốc hình 3.14 51  Hình 3.14 Lực kéo cáp tời phụ thuộc vào đường kính gỗ với chiều dài l =2,5m độ dốc    550 Trường hợp thứ hai chiều dài khúc gỗ l = 4,5m, từ 3.9 ta xây dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc lục kéo cáp vào đường kính độ dốc hình 3.15  Hình 3.15 Lực kéo cáp tời phụ thuộc vào đường kính gỗ với chiều dài l =4,5m độ dốc    550 52 Trường hợp thứ ba chiều dài gỗ l = 7m, từ 3.9 ta xây dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc lực kéo cáp vào đường kính độ dốc hình 3.16  Hình 3.16 – Lực kéo cáp tời phụ thuộc vào đường kính gỗ với chiều dài l =7m độ dốc    550 Trường hợp thứ tư chiều dài khúc gỗ l =9m, từ biểu thức 3.9 ta xây dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc lực kéo cáp vào đường kính gỗ độ dốc hình 3.17  Hình 3.17 – Lực kéo cáp tời phụ thuộc vào đường kính gỗ với chiều dài l =9m độ dốc    550 53 Từ đồ thị 3.14, 3.15, 3.16 3.17 ta thấy đường kính gỗ tăng dần từ 30 – 80cm tương ứng với độ dốc mặt kéo gỗ tăng dần từ    550 lực kéo cáp tời tăng lên Như lực kéo cáp tời tỷ lệ thuận với độ dốc mặt đường vận xuất đường kính gỗ Căn vào biểu đồ lực kéo cáp tời với kích thước gỗ so sánh với khả kéo lớn mà tời cáp kéo tính toán mục 3.4.1 ta biết LHM kéo khúc gỗ với kích thước độ dốc cụ thể thực tế Từ tính toán số lượng gỗ gom chuyến để đảm bảo khả kéo tời ổn đinh cho LHM b Khảo sát ổn định LHM Để tính toán ổn định cho LHM ta xét trường hợp trục dọc LHM trùng với phương kéo gỗ tời làm việc với khả kéo lớn Chọn hệ tọa độ (OXYZ)B có OBXB trùng với tâm vệt tiếp xúc dải xích với mặt đất – trục lật ngang, OBYB trùng với tâm hai bánh chủ động phía sau – trục lật dọc, trục OBZB vuông góc với mặt đường vận xuất * Ổn định dọc Sơ đồ tính toán ổn định dọc cho LHM gom gỗ hình : ZB h0 Fcos Gmksin E XB Fsin F Gmk Gmksin H OB L e1 Hình 3.18 – Sơ đồ tính toán ổn định dọc cho LHM gom gỗ 54 Từ sơ đồ ta có mô men gây lật dọc (Lật quanh trục OBYB) sau: M laty  F.H cos  Gmk h sin  (3.53) Trong đó: F – Lực kéo cáp lớn tời, 40201,68N; Gmk – Trọng lượng LHM, 79930N; H – Khoảng cách từ điểm tiếp xúc cáp với trống tời đến mặt phẳng đỗ máy, 1.1m; H0 – Chiều cao tọa độ trọng tâm LHM , 1,92m;  - Góc phương dây cáp phương kéo gỗ (do quãng đường gom gỗ xa nên xem   0)  - Độ dốc dọc Mô men chống lật dọc lớn máy kéo trục OBYB : M cly  Gmk L cos  F.e1sin  (3.54) Trong đó: L - khoảng cách từ trọng tâm máy kéo đến trục OB Z B ( trọng tâm theo chiều dọc LHM), L = 1,0683(m) Để LHM không bị lật dọc quanh trục OBYB thì: M cly  1,2 y M lat (3.55) Thay thông số vào 3.55 ta có: 44221,85  153465,6 sin   1,2 85389,22 cos Hay 102467sin   153465,6 sin   58245,2   (3.56)   37 Như gom gỗ đồi dốc dọc để đảm bảo cho LHM làm việc ổn định độ dốc dọc tới hạn   370 * Ổn định ngang Sơ đồ tính toán ổn định ngang cho LHM: 55 ZB e Gmksin h0 Fsin Fcos Z2 H Gmkcos F G mk YB Z1 OB B Hình 3.19 – Sơ đồ tính toán ổn định ngang cho LHM Từ sơ đồ ta có mô men gây lật ngang ( Lật quanh trục OBXB): x M lat  Gmk sin .h0  F sin .H (3.57) Mô men giữ theo phương ngang ( M clx ), từ sơ đồ tính toán ổn định ta có mô men chống lật ngang lớn máy kéo trục OB X B là: B B M clx  Gmk cos.(e  )  F cos 2 (3.58) Trong đó:  - Góc dốc ngang; e – Tọa độ trọng tâm theo chiều ngang, 0,0667m; B- Khoảng cách tâm dải xích, 1,89m Để LHM không bị lật ngang trình gom gỗ thì: M clx  1,2 x M lat (3.59) Thay thông số vào 3.59 ta được: tg  0,5    270 56 Để đảm bảo cho LHM ổn định không bị lật ngang gom gỗ độ dốc ngang tới hạn   270 * Ổn định theo điều kiện bám Khi gom gỗ để LHM ổn định không bị trượt phía sau : Pb  F (3.60) Trong đó: F- Lực kéo lớn tời, N; Pb – Lực bám LHM, N; Pb  Z. (3.61) Z – Phản lực pháp tuyến mặt đất lên LHM, N;  - Hệ số bám, chọn   1,1  1,2 ; F- Khả kéo lớn thiết bị, N Từ sơ đồ tính toán ổn định dọc ta có: Z  Gmk cos  F.sin  (3.62) Thay giá trị vào 3.60 ta được: (Gmk cos  F sin  ).  F cos cos  Hay F cos  F. sin  Gmk  (3.63) (3.64) Tóm lại để LHM việc ổn định theo điều kiện kéo bám gom gỗ độ dốc dọc tới hạn   370 , độ dốc ngang tới hạn   270 * Nhận xét Từ kết nghiên cứu khả làm việc LHM gom gỗ, thực tế khu khai thác rừng tự nhiên với điều kiện địa hình kích 57 thước gỗ cụ thể xác định khả kéo thiết bị có đáp ứng yêu cầu hay không Đồng thời vào biều đồ lực kéo cáp kích thước điển hình gỗ so sánh với khả kéo thực tế tời để xác định tải trọng chuyến cho lần gom Để nâng cao khả kéo, bám ổn định cho LHM, trình gom gỗ: - Đặt LHM với thùng dầu thủy lực thùng nhiên liệu phía dốc để tăng mômen chống lật ngang - Đặt máy với độ dốc ngang   270 dọc   370 - Tính toán tải trọng chuyến phù hợp với khả kéo tời tránh tượng tải 3.6 Kết luận chương Trong trình nghiên cứu đã: - Xây dựng mô hình gom gỗ LHM - Thiết lập phương trình vi phân chuyển động gỗ gom với thiết bị tời cáp - Giải mô phương trình vi phân chuyển động trình gom gỗ - Xác định khả làm việc tời ( khả kéo lớn tời F =40201,68N; Khả kéo nhỏ Fmin = 26390N), tính toán ổn định cho LHM trường hợp gom gỗ với khả kéo lớn tời cáp tìm độ dốc dọc tới hạn   370 độ dốc ngang tới hạn   270 59 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIÊM 4.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Trong trình nghiên cứu gom gỗ thiết bị tời cáp theo lý thuyết nhiều mối liên hệ thông số chưa có điều kiện tìm ra, có giả thiết nhằm đơn giản hóa cho mô hình nghiên cứu Do kết nghiên cứu lý thuyết cần phải kiểm chứng thực nghiệm Khi LHM gom gỗ điều kiện rừng tự nhiên, xuất nhiều yếu tố có ảnh hưởng không nhỏ đến ổn định dọc ngang LHM Độ dốc mặt đường vận xuất, lực quán tính gỗ, góc đặt máy, trọng lượng gỗ yếu tố gây thay đổi lực tác dụng từ phía gỗ gây ổn định LHM Quá trình nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định số thông số cung cấp cho việc giải mô hình toán lập Từ đánh giá mức độ phù hợp mô hình lập làm sở cho việc lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý cho thiết tời cáp Đồng thời nâng cao khả ổn định cho LHM - Để giải mô hình toán lập chương cần xác định số thông số đầu vào sau: Hệ số ma sát gỗ mặt đất, hệ số tải trọng động, toạ độ trọng tâm liên hợp máy lắp thêm thiết bị tời cáp ngoạm gỗ - Xác định lực kéo tời cáp LHM gom gỗ số điều kiện cụ thể khác để so sánh ảnh hưởng yếu tố tới lực kéo tời cáp 4.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm Chọn máy kéo xích DT 75 với thiết bị tời cáp ngoạm vận xuất gỗ thuộc đề tài trọng điểm cấp TS Nguyễn Văn Quân chủ trì với cộng Khoa Cơ Điện Công trình – Trường ĐH Lâm Nghiệp, nghiên cứu, thiết kế, chế tạo làm đối tượng nghiên cứu 60 Hình 4.1 Máy kéo DT 75 với trang bị tời cáp ngoạm gỗ Địa bàn nghiên cứu thực nghiệm khu rừng thực nghiệm núi Luốt – Trường ĐH Lâm Nghiệp – Xuân Mai – Hà Nội Đường vận xuất nghiên cứu lựa chọn làm thực nghiệm có điều kiện tương đương với đường gom vận xuất gỗ rừng tự nhiên thực tế Ban Quản Lý Rừng sông Chàng - Nhị Xuân – Như Xuân – Thanh Hóa Gỗ dùng để làm thực nghiệm gỗ có đường kính từ 40 – 60cm, chiều dài gỗ từ – 10m, khối lượng gỗ thay đổi theo tải trọng khác trình gom Hình 4.2 Gỗ dùng làm thực nghiệm 61 4.3 Xác định hệ số ma sát gỗ mặt đường vận xuất 4.3.1 Cơ sở lý thuyết Để xác định hệ số ma sát gỗ mặt đường vận xuất, ta xây dựng mô hình thí nghiệm sau: S E F H G mk Fms G Hình 4.3 – Sơ đồ xác định hệ số ma sát gỗ mặt đường vận xuất 1- Đầu đo lực; - Gỗ làm thí nghiệm Từ mô hình 4.3 chiếu tất lực lên phương chuyển động gỗ ta có: F cos  Fms  G sin     N d  F sin   G cos  (4.1) Trong đó: F – Lực căng cáp lấy giá trị trung bình, N; Fms – Lực ma sát gỗ mặt đất, N; Nd – Phản lực mặt đất lên gỗ, N; G – Trọng lượng gỗ, 11772N;  - Góc dốc mặt kéo gỗ ;  - Góc hợp phương chuyển động gỗ dây cáp 62 Sau biến đổi rút gọn ta có phương trình sau: F cos  G sin   f d (G cos  F sin  ) (4.2) Từ (4.2) fd  F cos  G sin  G cos  F sin  F S2  H2  G sin  S fd  H G cos  F S Hay (4.3) (4.4) Trong đó: S – Khoảng cách từ điểm buộc gỗ đến điểm tiếp xúc cáp tời, S = 6,2m; H – Khoảng cách từ điểm tiếp xúc cáp tới mặt phẳng chuyển động gỗ, H = 0,7m 4.3.2 Phương pháp thực nghiệm a Chuẩn bị thí nghiệm Để xác định hệ số ma sát gỗ mặt đất theo sở lý thuyết cần chuẩn bị thiết bị sau: - Lựa chọn địa hình - Cây gỗ có chiều dài – 8(m) - Máy kéo DT75 với thiết bị tời cáp ngoạm - Đầu đo lực Z4 - Thiết bị DMC plus máy tính xách tay - Cáp đầu buộc cáp b Tiến hành thực nghiệm Trên địa hình thực nghiệm chọn khu rừng thực nghiệm Núi Luốt, dùng máy kéo xích DT 75 với hệ thống tời cáp ngoạm kéo 63 gỗ mặt đất có độ dốc  Dùng đầu đo lực đầu nối với móc cáp tời, đầu lại nối với móc cáp gỗ hình (4.4): Hình 4.4 – Đấu nối đầu đo lực để đo hệ số ma sát fd gỗ mặt đường vận xuất Quá trình kéo gỗ không cho tời cáp, cho máy kéo chuyển động đồng thời phải giữ cho dây cáp hợp với phương chuyển động gỗ góc  Đầu đo lực kết nối với thiết bị DMC Plus, thiết bị thu thập kết nối với máy tính xách tay cài đặt phần mền DMC Laplus Do kéo gỗ di chuyển mặt đất cho ta giá trị lực kéo căng cáp tời hiển thị máy tính dạng đồ thị Xử lý kết excel cho ta giá trị lực kéo cáp, lấy giá trị trung bình tổng số giá trị ta giá trị lực kéo căng cáp F c Kết thực nghiệm Tiến hành loại địa hình với độ dốc khác Kết thí nghiệm thể bảng 4.1 64 Bảng 4.1 –Hệ số ma sát tương ứng với độ dốc khác Khối lượng gỗ Lực kéo cáp trung (Tấn) bình (N) 50 1,2 9976 0,68 250 1,2 10681 0,59 300 1,2 10967 0,55 Độ dốc Hệ số ma sát (fd) Trung bình 0,606 Hệ số ma sát gỗ mặt đường lấy giá trị trung bình để làm giá trị tính toán giải mô hình toán thiết lập chương 3: fd = 0,606 4.4 Xác định Toạ độ trọng tâm (TĐTT) máy kéo lắp thêm thiết bị tời cáp ngoạm gỗ 4.4.1 Cơ sở lý thuyết a Toạ độ trọng tâm theo chiều dọc, cm L P1.L1 G (4.5) Trong đó: P1 - Chỉ số lực kế, N; L1 - Khoảng cách từ điểm tựa máy kéo đến điểm treo lực kế theo phương nằm ngang, cm; G - Tải trọng tương ứng với khối lượng sử dụng máy kéo, N Sơ đồ xác định thể hình 4.5 65 Hình 4.5 - Sơ đồ xác định toạ độ trọng tâm máy kéo theo chiều dọc b Toạ độ trọng tâm theo chiều thẳng đứng (h), cm: h = h1 + h (4.6) Trong đó: h1 - Khoảng cách từ trọng tâm đến điểm treo lực kế theo phương thẳng góc với mặt tựa, cm P L   h1  cot g  L   G   (4.7) h2 - Khoảng cách từ điểm treo lực mặt phẳng tựa, cm  - Góc nghiêng máy kéo so với mặt phẳng ngang, độ P2 - Chỉ số lực kế, N Hình 4.6 - Sơ đồ xác định toạ độ trọng tâm theo chiều thẳng đứng 66 c Toạ độ tâm theo chiều ngang (e): Biểu thị xê dịch trọng tâm bên phải bên trái so với trục đối xứng dọc máy kéo, cm Hình 4.7 - Sơ đồ xác định toạ độ trọng tâm theo chiều ngang - Nếu P3 lớn P4 e P3  0,5G B G (4.8) - Nếu P3 nhỏ P4 e 0,5G  P3 B G (4.9) Trong đó: e – Độ lệch tâm, cm P3, P4 – Chỉ số lực kế, N B- Khoảng cách tâm dãy xích máy kéo, cm 4.4.2 Chuẩn bị dụng cụ thiết bị thực nghiệm Dụng cụ thí nghiệm bao gồm hai giá lề lực kế có cấu tạo sau: + Giá lề: Giá lề giá sắt hàn ghép thép kết cấu chữ V tạo giá đủ lực để đỡ máy kéo 67 Hình 4.8 - Cấu tạo giá lề + Lực kế: Lực kế sử dụng thí nghiệm lực kế tự tạo, cấu tạo lực kế thể hình 4.7: Hình 4.9 Sơ đồ cấu tạo lực kế – Tay công kích thủy lực; – Thân kích thủy lực; – Piston kích thủy lực; – Trục ren; - Ống nối thủy lực; – Đồng hồ đo áp suất Lực kế có cấu tạo kích thủy lực tải trọng 20 nối thông với đồng hồ đo áp suất dầu ống nối (5) Khi kích làm việc, dầu thủy lực có áp theo đường ống tới đồng hồ, áp lực dầu tác động 68 vào piston áp lực dầu tới đồng hồ đo áp ta xác định lực tác dụng lên cần piston kích thủy lực 4.4.3 Tiến hành thực nghiệm a Xác định khối lượng LHM lắp thêm phận chuyên dùng Sơ đồ xác định thể hình vẽ: L1 L G P1 P2 A Hình 4.10 – Sơ đồ xác định khối lượng LHM Áp dụng công thức: G = P1 + P2 (4.10) Trong đó: L1 - khoảng cách từ điểm tựa máy kéo đến điểm treo lực kế theo phương nằm ngang, L1 = 271 cm; G – tải trọng tương ứng với khối lượng sử dụng máy kéo, N; P1, P2 – lực đặt lực kế, N; Với: P1 = 1  d 9,81 (4.11)  – áp suất dầu thị đồng hồ đo,  = 95 kg/cm2; d – đường kính piston kích thủy lực, d = 6,5 cm Thay vào công thức (4.11) ta có: P1 = 95 P2 =   d 9,81 3,14.6,52 9,81 = 30909,29 N (4.12) 69  – áp suất dầu thị đồng hồ đo,  = 146 kg/cm2 3,14.6,52 Thay vào công thức (4.12) ta có: P2 = 146 9,81 = 47502,69 N Thay giá trị P1 P2 vào (4.10) ta được: G = P1 + P2 = 30909,29 + 47502,69 = 78411,98 N b Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc (L), cm: Hình 4.11 - Xác định TĐTT LHM theo chiều dọc Từ sở lý thuyết ta có: L P1.L1 G (4.13) Trong đó: P1 - lực đặt lực kế, P1 = 30909,29 N; L1 - khoảng cách từ điểm tựa máy kéo đến điểm treo lực kế theo phương nằm ngang, L1 = 271 cm; G – tải trọng tương ứng với khối lượng sử dụng máy kéo, G = 78411,98 N; Thay số vào (4) ta có: L 30909,29.271 = 106,83 cm 78411,98 Vì ta lấy điểm mốc điểm A vị trí hình chiếu tâm bánh phía sau, tọa độ trọng tâm liên hợp máy theo chiều dọc cách điểm A khoảng: L = 106,83 cm 70 c Tọa độ trọng tâm theo chiều thẳng đứng (h), cm: L1 P3  Pcos L Psin h2 Gsin  cos G G h1 h3 h  L2 Hình 4.12- Sơ đồ xác định TĐTT LHM theo chiều thẳng đứng h = h1 + h2 (4.14) Trong đó: h1- khoảng từ trọng tâm đến điểm đặt lực kế theo phương thẳng góc với mặt tựa, cm P L   h1  cot g  L   G   (4.15) h2 – khoảng cách từ điểm đặt lực mặt phẳng tựa, h2 = 32 cm  - góc nghiêng máy kéo so với mặt phẳng ngang, độ;  h3    L2   = arcsin  (4.16) h3 – độ nâng cao điểm đo xác định P3, h3 = 17 cm L2 – khoảng cách tâm hai bánh sao, L2 = 248 cm Thay giá trị vào (4.16) ta được:   = arcsin  17   = arcsin(0,0685)  40  248  P3 – lực đặt lực kế, N; P3 = 3  d 9,81 (4.17)  – áp suất dầu thị đồng hồ đo,  = 85 kg/cm2 d – đường kính piston kích thủy lực, d = 6,5 cm 71 Thay vào (4.17) ta có: P3 = 85 3,14.6,52 9,81 = 27655,68 N Thay giá trị vào (4.15) ta được:  h1 = cotg40 106,83   27655,68.271  = 160,98 cm 78411,98  Thay giá trị vào (4.14) ta được: h = 160,98 + 32 = 192,98 cm Vậy tọa độ trọng tâm LHM theo chiều cao cách mặt đất h = 192,98 cm d TĐTT theo chiều ngang (e) biểu thị xê dịch trọng tâm bên phải bên trái so vơi trục đối xứng dọc máy kéo (trong trường hợp phân bố khối lượng máy kéo không cân đối), cm Trong mô hình 4.14 ta có: B – khoảng cách hai dải xích, B = 189 cm; e – khoảng lệch tâm; P4 – Lực đặt lực kế bên phải e G P5 P4 B Hình 4.13- Sơ đồ xác định TĐTT LHM theo chiều ngang P4 =   d 9,81 (4.18)  – áp suất dầu thị đồng hồ đo,  = 112 kg/cm2 72 Thay giá trị vào (4.18) ta được: P4 =   d 9,81 = 112 3,14.6,52 9,81 = 36440,42 N P5 – lực đặt lực kế bên trái P5 = 5  d 9,81 (4.19)  – áp suất dầu thị đồng hồ đo,  = 129 kg/cm2 Thay giá trị vào (4.19) ta được: P5 = 5  d 9,81 = 129 3,14.6,52 9,81 = 41971,56 N Khoảng lệch tâm tính theo công thức: e 0,5G  P4 0,5.78411,98  36440,42 B = 189 = 6,67 cm G 78411,98 Vậy tọa độ trọng tâm LHM theo chiều ngang lệch phía trái theo chiều tiến máy kéo (phía bên có thùng dầu thủy lực dầu diezel) khoảng e = 6,67 cm 4.5 Xác định lực kéo tời gom gỗ 4.5.1 Phương pháp thiết bị thực nghiệm Để xác định lực kéo tời gom gỗ sử dụng phương pháp đo đại lượng không điện điện với việc ứng dụng chuyển đổi tenzo Thu thập khuếch đại xử lý kết đo thiết bị DMC plus nối ghép với máy tính xách tay thông qua cổng chuyển đổi RS232 – USB điều khiển phần mền DMC Laplus Đầu đo sử dụng để đo lực ký hiệu Z4 hãng HBM Cộng Hòa Liên Bang Đức chế tạo (hình 4.14) có mức giới hạn đo từ – 50KN làm việc theo nguyên tắc chuyển đổi Tenzo [3], với cầu đủ điện trở Địa hình chọn làm thực nghiệm tương đối giống với điều kiện khu khai thác rừng tự nhiên độ dốc (50, 250, 300) hình 4.15, 73 4.16, 4.17 Các thiết bị khác chuẩn bị làm thực nghiệm xác định hệ số ma sát gỗ mặt đường vận xuất Hình 4.14– Đầu đo lực Z4 Cộng Hòa Liên Bang Đức chế tạo Hình 4.15 – Địa hình kéo gỗ với độ dốc   50 Hình 4.16- Địa hình kéo gỗ với độ dốc   250 74 Hình 4.17 – Địa hình kéo gỗ với độ dốc   300 4.5.2 Tiến hành thực nghiệm Đầu đo lực đầu nối với gỗ thông qua móc cáp cáp nối, đầu lại nối với cáp kéo tời thông qua móc cáp nối với thiết bị thu thập (DMC plus) thông qua hệ thống dây cáp tín hiệu hình 4.19 Khi gom gỗ dây tín hiệu không bị đứt vướng vào gốc bụi làm đứt dây ảnh hưởng đến trình thí nghiệm chọn phương án dong dây cáp theo chuyển động gỗ Khi kéo gỗ lực kéo thay đổi theo thời gian, thay đổi thiết bị thiết bị DMC plus thu thập thông qua hệ thống dây cáp tín hiệu nối từ đầu đo thiết bị kết thu biểu thị đồ thị lưu dạng đuôi ASCII máy tính xách tay, sau dùng phần mền excel để xử lý thô số liệu 75 Hình 4.18 – Quá trình lắp ráp đấu nối thiết bị để đo lực kéo cáp a –Kết nối DMC plus với máy tính; b-Nối đầu đo lực với gỗ cáp tời kéo 4.5.3 Xác định lực kéo cáp tời gom gỗ Như trình bày địa hình tiến hành thí nghiệm với thông số đầu vào khác Kết thu biểu thị bảng số liệu phụ lục đồ thị sau: Hình 4.19 – Lực kéo gỗ tời cáp gom gỗ độ dốc , góc đặt ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP CAO BÁ HOÀNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA THIẾT BỊ TỜI CÁP – CÀNG NGOẠM GỖ LẮP SAU MÁY KÉO DT -75 ĐỂ VẬN... 28 Chương KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA THIẾT BỊ TỜI CÁP - NGOẠM GỖ LẮP TRÊN MÁY KÉO DT 75 ĐỂ VẬN XUẤT GỖ RỪNG TỰ NHIÊN 3.1 Xây dựng mô hình nghiên cứu Mục tiêu đặt toán... việc, tính chất động học động lực học thiết bị nói chung LHM nói riêng Vì lý nên tiến hành thực đề tài: “ Nghiên cứu số tính chất động học động lực học thiết bị tời cáp – ngoạm gỗ lắp máy kéo DT- 75