420-Article Text-1818-1-10-20221018.Pdf

THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – ISSN 1859 0209 15 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CHUYÊN CHỞ GIỚI HẠN CỦA XE BƠI TỰ HÀNH B[.]

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CHUYÊN CHỞ

GIỚI HẠN CỦA XE BƠI TỰ HÀNH BÁNH LỐP

TRONG GIAI ĐOẠN CHUYỂN TIẾP

Đặng Đình Vũ 1,* , Nguyễn Viết Tân 1

1Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn

Tóm tắt

Bài báo trình bày phương pháp xây dựng mô hình động lực học và khảo sát chuyển động của

xe bơi tự hành bánh lốp ở giai đoạn chuyển tiếp (phương tiện thay đổi môi trường làm việc từ trên cạn xuống nước) Nghiên cứu được thực hiện từ thời điểm phương tiện bắt đầu tiếp xúc với môi trường nước cho đến khi có sự tách các bánh xe cầu trước khỏi mặt bến, trong điều kiện góc bến nhỏ hơn 15 độ và vận tốc di chuyển không lớn hơn 20 km/h Kết quả bài báo cho phép xác định được quãng đường di chuyển lớn nhất trên mặt bến mà phương tiện có thể

di chuyển nhỏ hơn 3,5m (đối với xe bơi tự hành bánh lốp BAV) để đảm bảo điều kiện không chìm nước, từ đó cho phép xác định được tải trọng tải trọng chuyên chở giới hạn

Từ khóa: Tải trọng chuyên chở giới hạn; xe bơi tự hành bánh lốp; động lực học chuyển động;

giai đoạn chuyển tiếp; giai đoạn vào nước

1 Mở đầu

Quá trình thực hành bảo đảm vượt sông của phương tiện vượt sông tự hành (PTVSTH) nói chung và xe bơi tự hành (XBTH) bánh lốp nói riêng thường bao gồm 3 giai đoạn: Giai đoạn chuyển động trên cạn, giai đoạn bơi dưới nước và giai đoạn chuyển động chuyển tiếp (vào nước và ra nước) Trong đó, giai đoạn chuyển động chuyển tiếp

có vai trò hết sức quan trọng bởi vì giai đoạn này quyết định tới thời gian và hiệu quả quá trình vượt sông của phương tiện Đã có nhiều công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước nghiên cứu chuyển động của phương tiện trong giai đoạn này [1, 4, 5], nhưng kết quả chưa phản ánh một cách đầy đủ và bản chất của quá trình chuyển tiếp Nội dung bài báo trình bày ảnh hưởng của tải trọng chuyên chở trong quá trình chuyển động chuyển tiếp của XBTH bánh lốp, từ đó xác định tải trọng giới hạn mà phương tiện cụ thể có thể chuyên chở để bảo đảm tính không chìm khi xuống bến

2 Xây dựng mô hình động lực học chuyển động của xe bơi tự hành bánh lốp trong giai đoạn chuyển tiếp

2.1 Các giai đoạn chuyển động của xe bơi tự hành bánh lốp

Quá trình chuyển động của XBTH gồm 3 giai đoạn, thể hiện trên hình 1

* Email: dinh-vu.dang@mta.edu.vn

16

W

L

I II

III

Hình 1 Sơ đồ mô tả các giai đoạn chuyển động của XBTH bánh lốp

Các giai đoạn chuyển động của XBTH bao gồm: Giai đoạn chuyển động trên cạn (giai đoạn I), giai đoạn chuyển động chuyển tiếp (giai đoạn II), giai đoạn chuyển động dưới nước (giai đoạn III) Trong đó giai đoạn chuyển động chuyển tiếp bao gồm hai phân đoạn: Phân đoạn II1 là phân đoạn được tính từ thời điểm phương tiện bắt đầu tiếp xúc với nước cho tới khi xảy ra quá trình tách bánh (phương tiện quay quanh vị trí tiếp xúc giữa bánh xe sau cùng với mặt bến); phân đoạn II2 là phân đoạn được tính từ thời điểm cuối của phân đoạn II1 đến khi phương tiện đạt được trạng thái “bình ổn” so với mặt nước (đường WL)

2.2 Xây dựng mô hình động lực học của xe bơi tự hành bánh lốp trong giai đoạn chuyển tiếp

2.2.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

- Coi phương tiện và tải chuyên chở là một vật rắn, đối xứng qua mặt phẳng OXY

- Lốp tiếp xúc điểm với mặt bến, không có sự trượt xảy ra trong quá trình chuyển động

- Bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng gió, dòng chảy và sóng các loại (sóng tự nhiên

và sóng do chuyển động của các phương tiện khác gây ra) tác dụng lên phương tiện

- Phương tiện chuyển động trên mặt bến bằng phẳng, bỏ qua mấp mô của mặt bến

và ảnh hưởng dao động của hệ thống treo và lốp, chỉ khảo sát giai đoạn chuyển động chuyển tiếp ở thời điểm vào nước của phương tiện

2.2.2 Mô hình tính toán động lực học

Từ các giả thiết đã nêu ở trên, mô hình động lực học chuyển động của xe bơi bánh lốp trong phân đoạn II1 được xây dựng như sau:

O Y

X

x

E F

G D

Rn

Rg

R 1

A

P k1

P f1

R 2

B

P k2

P f2

R 3

C

P k3

P f3

Hình 2 Mô hình động lực học chuyển động của xe bơi bánh lốp trong phân đoạn II 1

Đối với các XBTH ở dạng boong hở, để đảm bảo tính không chìm do nước tràn vào khu vực chất tải qua bề mặt boong của phương tiện, khi phương tiện chuyển động ở giai đoạn chuyển tiếp ở thời điểm vào nước, mặt nước chỉ được chạm tới điểm cao nhất của mặt boong [1] (điểm E trên hình 2) và tại đó phương tiện phải xảy ra quá trình quay

Mô hình tính toán được xây dựng trên giả thiết rằng bỏ qua ảnh hưởng của các loại sóng tới quá trình chuyển động của phương tiện, tuy nhiên thực tế cho thấy một vật thể nói chung hay phương tiện nói riêng khi thực hiện quá trình “xâm nhập” vào khối nước

“lặng, đứng yên” đều gây ra hiện tượng “tự tạo sóng”, làm cho mực nước dâng lên so với mực nước ban đầu Độ cao mực nước dâng này có thể quy đổi tương đương thành chiều cao của sóng trung bình [1] Như vậy, khi vào nước và diễn ra quá trình quay, phương tiện cần đi được một quãng đường giới hạn, bằng khảo sát cụ thể tác giả đã xác định được khoảng dịch chuyển giới hạn vào nước là x gh3,50 m (khảo sát với XBTH bánh lốp BAV, góc bến là 15 độ) Giá trị này là cơ sở để tác giả xác định tải trọng chuyên chở giới hạn trong quá trình chuyển động chuyển tiếp ở thời điểm vào nước của phương tiện

Từ hình 2, theo [1, 4, 5], ta có phương trình mô tả chuyển động của phương tiện trong phân đoạn II1 như sau:

mx GD  f GD R R (1)

18

trong đó:

m = m pt + m t - khối lượng của phương tiện và tải chuyên chở (kg);

G - trọng lượng do tải trọng bản thân phương tiện và tải chuyên chở (N);

D - lực đẩy nổi tác dụng lên phương tiện (N);

R n - lực cản của nước tác dụng lên phương tiện theo phương Ox (N);

R g - lực cản của gió tác dụng lên phương tiện;

 - góc dốc của bến (độ);

- hệ số bám của xe bánh lốp trên mặt bến;

f - hệ số cản lăn xe bánh lốp trên mặt bê tông ướt;

* Tính toán giá trị của các lực D, R nx

- Lực đẩy nổi D được xác định qua công thức: D 0g BTx

trong đó: 0- khối lượng riêng của nước (kg/m3); g - gia tốc trọng trường (m/s2); 1

S BT- diện tích mặt cắt ngang của phương tiện trong khoảng khảo sát;  - hệ số điền đầy thể tích tiết diện ngang; B T; - chiều rộng và chiều sâu trung bình chìm nước

của phương tiện trong khoảng khảo sát (m); x - độ dịch chuyển vào nước của phương

tiện theo chiều trục OX (m)

- Lực cản của nước tác dụng lên phương tiện: 1 0 2

2

R   S v

trong đó:  - hệ số cản tổng cộng của nước; S - diện tích bề mặt nhúng nước của vỏ v

phương tiện với nước (m2); v xx - vận tốc chuyển động vào nước của phương tiện theo phương OX (m/s)

Gắn với đối tượng khảo sát cụ thể là XBTH bánh lốp BAV, coi biên dạng mặt cắt ngang của phần vỏ phương tiện là một hình parabol được giới hạn bởi hai kích thước là

B và T Khi đó, giá trị diện tích bề mặt nhúng nước của vỏ phương tiện trong khoảng khảo sát là:

2

2

sin

v

B

T



4

B

Theo [1, 4] vận tốc di chuyển của XBTH ở giai đoạn này có giá trị không lớn (thường nhỏ hơn hoặc bằng 15 km/h), căn cứ vào các giả thiết nghiên cứu đã được nêu

ra ở phần trên, quá trình khảo sát ta có thể bỏ qua giá trị lực cản của gió gây ra, khi đó phương trình (1) được viết lại như sau:

0 2

2

B

B xx T

 



(2)

Đặc trưng của phân đoạn II1 đang khảo sát là ở cuối giai đoạn này bắt đầu có quá trình quay phương tiện quanh vị trí tiếp xúc của bánh sau và mặt bến Tại thời điểm phương tiện xảy ra quá trình quay, các phản lực do bến tác dụng lên phương tiện có điểm đặt tại các bánh xe, gồm có các phản lực R1 (Hình 2) có giá trị bằng 0; đồng thời với đó xảy ra phương trình cân bằng mô men (so với điểm quay C, là điểm tiếp xúc giữa bánh sau cùng của xe với mặt bến) do hai lực là: Lực đẩy nổi D và trọng lượng G gây

ra, tức là: MG(C) = MD(C)

* Xác định giá trị các mô men M G(C) , M D(C) :

- Xác định giá trị MG(C):

MG(C) = G(XR23 + X3)cos (3) trong đó: G - trọng lượng của phương tiện và tải chuyên chở (N); (XR23 + X3) - cánh tay đòn do G gây ra so với điểm C (m); - góc dốc của bến (độ)

Xác định giá trị cánh tay đòn do G gây ra so với điểm quay C:

Với khoảng cách X3, bằng thực nghiệm hoặc sử dụng phần mềm hỗ trợ (Autodesk Inventor, Cad ) tác giả có thể xác định được chính xác giá trị của khoảng cách này,

cụ thể X3 = 0,62 m;

Còn lại, khoảng cách XR23 được xác định qua mô hình khảo sát tọa độ trọng tâm như hình 3

G

X R23

Hình 3 Mô hình khảo sát tọa độ trọng tâm xe BAV

Theo [2], trong trường hợp xe đủ tải, phân bố tải trọng trên cầu trước có giá trị là

m1 = 2690 kg, cầu giữa và cầu sau là m23 = 6960 kg Do đó, ta có phương trình cân bằng

mô men do phản lực từ mặt đường tác dụng của cầu trước, cầu giữa và cầu sau là:

(4) Mặt khác, tương tự như phương pháp xác định giá trị của X3 ở trên, tác giả xác định được khoảng cách tổng cộng của XR1 và XR23 như sau:

20

Từ hai phương trình (4) và (5), với số liệu đã có trong [2], ta xác định được giá trị của XR1 và XR23 lần lượt là: XR1 = 2,88 m và XR23 = 1,17 m

Suy ra giá trị mô men do trọng lượng G gây ra so với điểm C là:

- Xác định giá trị MD(C):

Căn cứ vào mô hình khảo sát như hình 2, giá trị mô men do lực đẩy nổi gây ra so với điểm C được tính là:

2

CD

x

gS x l

trong đó: l CD = 6,4 m là khoảng cách giữa hai điểm C, D (Hình 2) theo phương OX (xác

định bằng cách khảo sát trên phương tiện); x - khoảng dịch chuyển vào nước đang xét

Từ phương trình (6) và (7), ta xác định được phương trình cân bằng mô men so với điểm quay C (tại cuối phân đoạn II1, thời điểm phương tiện bắt đầu xảy ra quá trình quay) là:

2

x

gS x



Giải phương trình (2) với điều kiện (8), ta sẽ xác định được các tham số động lực học chuyển động trong phân đoạn II1, nói cách khác, hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của XBTH bánh lốp BAV trong phân đoạn II1 có biểu thức như sau:

0 2

2

2

B

B xx T

x

gS x

 

















3 Thông số đầu vào và kết quả tính toán

Áp dụng mô hình động lực học trong hình 2 với đối tượng khảo sát là XBTH bánh

lốp BAV Theo [1, 3] ta xác định được các thông số đầu vào là: g = 9,81 (m/s2),

m pt = 7150 kg; B = 2,2 m, T = 1,1 m, 3

   kg/m3, 0, 4; f 0, 03;  0, 7; 1,1

 

Để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng chuyên chở đến quá trình chuyển động vào nước của phương tiện, tác giả sẽ khảo sát giai đoạn chuyển động này với các điều kiện

sau: vận tốc vào nước là v = 15 km/h tại 3 chế độ tải khác nhau bao gồm:

m t = 3500 kg, m t = 5000 kg, m t = 6000 kg Kết quả tính toán cụ thể như sau:

Hình 4 Dịch chuyển vào nước của xe BAV

ở phân đoạn II 1 trong điều kiện tải trọng

chuyên chở khác nhau

Hình 5 Vận tốc vào nước của xe BAV

ở phân đoạn II 1 trong điều kiện tải trọng

chuyên chở khác nhau

Hình 6 Gia tốc vào nước của xe BAV

ở phân đoạn II 1 trong điều kiện tải trọng

chuyên chở khác nhau

Hình 7 Lực cản của nước tác dụng xe BAV ở phân đoạn II 1 trong điều kiện tải trọng chuyên chở khác nhau

- Dựa trên kết quả khảo sát được thể hiện thông qua các đồ thị từ hình 4 đến hình 7, có thể nhận thấy rằng quy luật thay đổi các tham số động lực học cũng như lực cản của nước tác dụng lên phương tiện về cơ bản là tương tự nhau

- Kết quả trên các đồ thị lần lượt cho thấy thời gian mà phương tiện dịch chuyển vào nước có sự khác nhau, ứng với tải trọng chuyên chở càng lớn thì thời gian dịch chuyển này càng lớn; đi kèm với nó là khoảng cách dịch chuyển vào nước của phương tiện cũng có sự tương ứng

22

- Kết quả nghiên cứu ở hình 4 cho ta biết khoảng dịch chuyển vào nước ứng với

tải định mức m t = 3500 kg (theo [3]) có giá trị là x a 2,8 m, khoảng dịch chuyển này nhỏ hơn giá trị khoảng cách vào nước giới hạn để bảo đảm điều kiện không chìm

a gh

x  m, do đó có thể kết luận rằng ứng với tải định mức đã đưa ra quá trình vào nước của phương tiện là bảo đảm

- Cũng trong kết quả thể hiện ở hình 4, ứng với tải trọng chuyên chở m t = 5000 kg, khoảng cách dịch chuyển vào nước ở phân đoạn II1 có giá trị là x t 3,5 m, phương tiện vẫn bảo đảm được điều kiện vào nước, điều này phù hợp với kết luận có trong [1], thể hiện hệ số độ dự trữ nổi của phương tiện K d 35% Ngược lại, ứng với tải trọng

chuyên chở m t = 6000 kg, khoảng cách dịch chuyển vào nước ở phân đoạn II1 có giá trị

là x t 4, 0 m, giá trị này lớn hơn giá trị vào nước giới hạn đã được phân tích ở trên, khi

đó phương tiện sẽ bị nước tràn vào qua bề mặt boong từ đó gây mất an toàn

4 Kết luận

Bài báo đã xây dựng được mô hình tính toán động lực học chuyển động của XBTH bánh lốp trong giai đoạn chuyển động chuyển tiếp ở thời điểm vào nước Từ đó cho phép xác định được ảnh hưởng của tải trọng chuyên chở của xe BAV trong giai đoạn chuyển tiếp như đã trình bày ở trên

Kết quả đã chỉ ra giá trị tải trọng chuyên chở định mức nhằm bảo đảm tính không chìm và xác định được giá trị hệ số độ dự trữ nổi của phương tiện Đây là cơ sở khoa học để đưa ra các khuyến cáo nhằm nâng cao hiệu quả khai thác đối với các đơn vị sử dụng XBTH BAV

Tài liệu tham khảo

1 Nguyễn Viết Tân (2011) Xe máy vượt sông Nxb Quân đội Nhân dân

2 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9859:2013 (ISO 2795:1991) về Bến phà, bến cầu phao đường

bộ - Yêu cầu thiết kế

3 Chu Văn Đạt, Nguyễn Viết Tân, Lương Khánh Tình (2003) Sổ tay tính năng chiến kỹ thuật

xe máy công binh Học viện KTQS

4 Analysis of the process of water entry of an amphibious vehicle, Gdynia Maritime

University, Ship Design and Research Centre, Context Office

5 Малахов Дмитрий Юрьевич (2009) Разработка методики оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону

ESTIMATION OF THE LIMITED LOAD FOR WHEELED

AMPHIBIOUS VEHICLES IN THE TRANSITION PERIOD

Abstract: The paper provides a method for building a dynamic model and investigates a

motion of the amphibious vehicle in the transition period The research is conducted from the time that vehicle starts come into contact with the water environment until the wheels of front axle separated from the ramp angle (slope), in conditions of the ramp angle of less than 15 degrees and the vehicle’s velocity of not more than 20 km/h The result allows to determine the maximum distance moving on the ramp angle that vehicle can perform to ensure not submerged conditions, then the limited load can be determined

Keywords: Limited load; wheeled amphibious vehicle; motion dynamics; transition

period; water entry process

Ngày nhận bài: 14/3/2019; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 20/8/2019; Ngày duyệt đăng: 28/8/2019

