tóm tắt luận án nghiên cứu động lực học của xe chữa cháy rừng đa năng

Tuy nhiên thiết bị vẫn còn một số tồn tại cần phải nghiên cứu giảiquyết đó là: Khi xe hoạt động chữa cháy trong khu rừng không có đường, dướitác động của các mấp mô mặt đất rừng, các vậ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Xe chữa cháy rừng đa năng là một sản phẩm của đề tài nghiên cứu

khoa học cấp Nhà nước: " Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng", mã số KC07.13/06-10 bước đầu

qua khảo nghiệm đã có thể chữa cháy rừng được trong những điều kiện

cụ thể Tuy nhiên thiết bị vẫn còn một số tồn tại cần phải nghiên cứu giảiquyết đó là:

Khi xe hoạt động chữa cháy trong khu rừng không có đường, dướitác động của các mấp mô mặt đất rừng, các vật cản trên đường đi, tácđộng của các hệ thống công tác chữa cháy trên xe làm cho xe dao độngrất lớn, dao động này ảnh hưởng đến ổn định, độ bền của các chi tiết trên

xe và chất lượng của các hệ thống chữa cháy của xe

Xe chữa cháy rừng đa năng là thiết bị mới, các công trình nghiêncứu về động lực học của loại xe này còn hạn chế Để có cở sở lý thuyếtcho việc hoàn thiện xe chữa cháy rừng đa năng, cần thiết phải tiến hànhnghiên cứu động lực học trong quá trình làm việc của xe Vì vậy việcnghiên cứu động lực học của xe chữa cháy rừng đa năng là một việc làmcấp thiết để tìm được chế độ làm việc hợp lý, phát huy hiệu quả sử dụngcho xe khi hoạt động chữa cháy trong rừng

Xuất phát từ những lý do nêu trên, chúng tôi chọn và thực hiện đề

tài: " Nghiên cứu động lực học của xe chữa cháy rừng đa năng"

2 Mục đích nghiên cứu

Xác định quy luật ảnh hưởng của một số yếu tố đến các chỉ tiêuđộng lực học của xe chữa cháy rừng đa năng khi hoạt động trong rừng,đồng thời xác định được chế độ làm việc hợp lý để sử dụng xe an toàn vàhiệu quả

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động lực học của xe chữa cháyrừng đa năng khi xe chuyển động trong rừng không có đường

4 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu về dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi hoạtđộng chữa cháy trong rừng ở các chế độ chuyển động bình ổn, chịu tácđộng của mặt đất rừng dưới dạng hàm ngẫu nhiên và xung lực của cơ cấucắt cỏ rác dưới dạng hàm tuần hoàn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Kết quả nghiên cứu là những đóng góp mới cho quá trình nghiêncứu dao động của các loại xe chữa cháy rừng khác về cả mặt nghiên cứu

lý thuyết lẫn nghiên cứu thực nghiệm

Kết quả nghiên cứu của luận án là đóng góp mới cho việc xác địnhđược các chế độ làm việc hợp lý cho xe và là cơ sở để hoàn thiện xe chữacháy rừng đa năng

6 Bố cục của luận án

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Thiết lập mô hình nghiên cứu dao động xe chữa cháy rừng đa năng

Chương 3: Khảo sát dao động xe chữa cháy rừng đa năng

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về xe chữa cháy rừng đa năng

Xe chữa cháy rừng đa năng được thiết kế trên nền xe Ural 4320 vớiđộng cơ Điêzen có công suất 180 mã lực Phía trước xe có hệ thống cắtcây để tạo đường đi, phía sau xe có hệ thống cắt cỏ rác để tạo băng cảnlửa, phía giữa xe có hệ thống cắt hút đất để phun vào đám cháy Ngoài ratrên xe còn được trang bị hệ thống bơm ly tâm hút nước từ téc nước phunqua lăng giá hoặc các cuộn vòi chữa cháy

1.2 Tình hình nghiên cứu dao động ôtô, máy kéo trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Tình hình nghiên cứu dao động ôtô, máy kéo trên thế giới

Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về dao động của ôtô,máy kéo như công trình nghiên cứu của Mitschke M, Muller H, Vogel F,Wendebom J.C, Antônốp Đ.A, Barski I.B, Varava V I., Gaichev L V,Xavotrin B.A, Đimitơriev A A, Xilaev A.A Nhưng các công trìnhnghiên cứu dao động của ôtô chạy trong rừng rất ít

1.2.2.Tình hình nghiên cứu dao động ôtô, máy kéo ở Việt Nam.

Ở Việt Nam nghiên cứu về dao động của ôtô đã được một số tác giả

đề cập đến như giáo trình “Dao động của ôtô” tác giả Vũ Đức Lập, luận

án tiến sĩ của tác giả Trần Thanh An, Nguyễn Tiến Đạt, Nguyễn PhúcHiểu, Đào Mạnh Hùng,, Võ Văn Hường,, Lê Minh Lư, Trần Minh Sơn,Lưu Văn Tuấn, Nguyễn Văn Trà, Võ Văn Trung Tuy nhiên chưa cócông trình nào nghiên cứu về dao động của xe chữa cháy rừng

1.2.3 Tình hình nghiên cứu dao động xe chữa cháy rừng đa năng

Sau khi xe chữa cháy rừng đa năng ra đời đã có một vài công trìnhnghiên cứu về nó nhưng đơn giản và chưa đầy đủ như công trình nghiêncứu của tác giả Nguyễn Nhật Chiêu, Dương Văn Tài

1.3 Các chỉ tiêu đánh giá động lực học xe chữa cháy rừng đa năng

g) z m(

kđ       (1.1)

Trong đó: m là khối lượng toàn bộ của xe, kg;  z là gia tốc của xe,m/s2; g là gia tốc trọng trường Để độ bền của các chi tiết trên xe chữacháy rừng đa năng được đảm bảo thì yêu cầu hệ số tải trọng động phải

(1.2)

1.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe chữa cháy rừng đa năng

Có 5 chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu của xe như chỉ tiêu về về tần

số, chỉ tiêu về gia tốc dao động, chỉ tiêu dựa trên số liệu cảm giác theogia tốc và vận tốc dao động, chỉ tiêu đánh giá cảm giác theo công suấtdao động và chỉ tiêu đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và thời giantác động của nó Luận án chỉ nghiên cứu đánh giá độ êm dịu theo giá trịbình phương trung bình của gia tốc Zc  2 , 5 m/s2

1.4 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định sự ảnh hưởng của vận tốc chuyển động của xe, độ mấp

mô mặt đất rừng đến gia tốc dao động thân xe, góc lắc dọc và góc lắcngang thân xe, từ đó tìm ra được chế độ làm việc hợp lý, an toàn và hiệuquả cho xe chữa cháy rừng đa năng

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

Xây dựng mô hình dao động trong không gian cho xe chữa cháyrừng đa năng Lập hệ phương trình vi phân dao động của xe và khảo sátcác yếu tố ảnh hưởng đến dao động của xe Xác định hệ số tải trọng động

kđ để đánh giá độ bền của một số chi tiết trên xe Xác định giá trị bìnhphương trung bình gia tốc dao động thân xe để đánh giá độ êm dịu của xe.Đánh giá ảnh hưởng của vận tốc chuyển động của xe, độ mấp mô mặt đấtrừng đến sự ổn định của xe, để từ đó xác định chế độ làm việc hợp lý của

xe chữa cháy rừng đa năng Xác định các thông số đầu vào như: trọnglượng xe, tọa độ trọng tâm, mômen quán tính, độ cứng của lốp và củanhíp xe, độ mấp mô mặt đất rừng và các thông số đầu ra như gia tốc daođộng thân xe, góc lắc dọc và góc lắc ngang thân xe

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết với phương phápnghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chương 1

Xe chữa cháy rừng đa năng còn có một số tồn tại đó là dao độngcủa xe lớn, ảnh hưởng đến kết cấu của xe, an toàn trong quá trình sửdụng và chất lượng hoạt động của các hệ thống công tác trên xe Dựa vàocác tài liệu thu thập được, đã phân tích các công trình nghiên cứu về daođộng của ôtô và máy kéo của nhiều tác giả đã công bố Hiện nay trên thếgiới và ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu dao động của ôtô

và máy kéo, nhưng chưa có công trình nào nghiên cứu đầy đủ về daođộng về xe chữa cháy rừng Sau khi xe chữa cháy rừng đa năng đượcthiết kế, chế tạo xong cũng đã có một vài công trình nghiên cứu về xe,nhưng các công trình nghiên cứu này chưa nghiên cứu đầy đủ về daođộng của xe khi xe hoạt động chữa cháy trong rừng Chương 1 đã phântích và lựa chọn được các chỉ tiêu đánh giá động lực học xe chữa cháyrừng đa năng bao gồm: chỉ tiêu về độ bền của các chi tiết thông qua hệ sốtải trọng động kđ , (kđ  2,5) và các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu của xethông qua giá trị bình phương trung bình gia tốc dao động thân xe Z  c, (Z  c

 2,5 m/s2) Luận án đã đưa ra một số nội dung và phương pháp nghiêncứu để xác định chế độ sử dụng hợp lý và làm cơ sở khoa học cho việchoàn thiện xe

Chương 2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG XE

CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG 2.1 Mô hình dao động của xe chữa cháy rừng đa năng

2.1.1 Lựa chọn mô hình nghiên cứu

Hình 2.1: Mô hình xe chữa cháy rừng đa năng

2.1.2 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

Xét dao động của xe chữa cháy rừng đa năng trong quá trình dichuyển trên mặt đất rừng để tạo băng cản lửa, khi đó chỉ có cơ cấu cắt cỏrác ở phía sau xe làm việc, còn cơ cấu cắt cây bụi ở phía trước xe khônglàm việc và được liên kết cứng với xe Khối lượng xe được phân bố đốixứng qua mặt phẳng dọc Trên xe chở đầy nước trong téc và coi nướctrong téc như một khối đặc do téc được chia ra nhiều ngăn nhỏ Phầnkhối lượng được treo coi như cứng tuyệt đối, có khối lượng m0 vàmômen quán tính với trục dọc đi qua trọng tâm là Jox, mômen quán tínhđối với trục ngang đi qua trọng tâm là Joy Phần khối lượng không đượctreo cũng được coi là cứng tuyệt đối có khối lượng tương ứng ở các cầu

là m1, m2, m3 và mômen quán tính đối với trục dọc đi qua trọng tâm là

J1x, J2x và J3x Bỏ qua các nguồn kích thích dao động trên xe, coi mấp mômặt đất rừng và các xung lực do cơ cấu cắt cỏ rác sinh ra là nguồn kíchthích dao động duy nhất Các đặc tính của thành phần đàn hồi, của lốp làđặc tính tuyến tính Bỏ qua hệ số cản giảm chấn của nhíp sau Tiếp xúc

của bánh xe với mặt đất rừng là tiếp xúc điểm Xe chuyển động trênđường thẳng với vận tốc không đổi Bỏ qua sự ảnh hưởng của sự trượtcủa các bánh xe Bỏ qua ảnh hưởng của lực cản không khí do xe chạy vớitốc độ thấp Không tính đến ảnh hưởng của ma sát ở các ổ trục của cácbánh xe Xét dao động của xe quanh vị trí cân bằng tĩnh Mặt đất rừngcoi như cứng tuyệt đối.

2.1.3 Lựa chọn hệ tọa độ

2.1.3.1 Hệ tọa độ cố định

Chọn hệ tọa độ cố định là Oxyz có gốc tọa độ là điểm O đặt ởtrọng tâm của khối lượng được treo, trục Oz theo phương thẳng đứng,trục Ox theo phương dọc và trục Oy theo phương ngang

2.1.3.2 Hệ tọa độ động

Hệ tọa độ động được đặt tại trọng tâm của các khối lượng trong hệ

có các trục song song với các trục của hệ cố định

2.1.4 Mô hình tính toán dao động của xe chữa cháy rừng đa năng

2.1.5 Nguồn kích động gây rung

- Mấp mô mặt đất rừng và xung lực do cơ cấu cắt cỏ rác gây ra

2.2 Thiết lập phương trình vi phân dao động của xe chữa cháy rừng

đa năng

2.2.1 Cơ sở để lập phương trình vi phân dao động của hệ

Áp dụng phương trình Lagrangiơ loại II:

i i i i i

Q q

Φ q

Π q

T q

T dt

Hệ phương trình vi phân theo các biến zo, αo, z1, z2, z3, z4, βo, β1,

β2, β3 như sau:

Kết luận chương 2

Chương 2 cũng đã xây dựng được mô hình dao động trong khônggian của xe chữa cháy rừng đa năng khi hoạt động chữa cháy trong rừngchịu lực kích động động học do mấp mô mặt đất rừng gây ra và chịu lựckích động động lực học do hệ thống làm sạch cỏ rác gây ra Dựa vàophương trình Lagranger loại II, đã xây dựng được hệ phương trình viphân dao động của hệ

Chương 3 KHẢO SÁT DAO ĐỘNG XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG 3.1 Xác định các thông số đầu vào của bài toán lý thuyết

3.1.1 Xác định độ mấp mô mặt đất rừng

Mặt đất rừng có mấp mô dạng hàm bậc, dạng hàm điều hòa vàmấp mô dạng ngẫu nhiên Để xác định độ mấp mô mặt đất rừng có thểdùng phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp Các đặc trưng của hàmngẫu nhiên bao gồm: Kỳ vọng, phương sai, độ lệch bình phương trungbình, hàm tương quan, hàm mật độ phổ Mật độ phổ là hàm ảnh của hàmtương quan được xác định theo công thức sau:

4 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2

) (

) (

2

) (

2 )

( S

 0,111 (1/m), 1=0,025  0,014 (1/m); v – Vận tốc chuyển động củaxe

3 1.2 Xác định lực của cơ cấu làm sạch cỏ rác

Lực tổng cộng tác dụng lên lưỡi dao cắt cỏ rác được xác định theo

T

2 j cos(

T

S 2 T

S ) t (

(3.26)

3.1.3 Xác định độ cứng của lốp xe và nhíp

Tiến hành làm thí nghiệm đo dao động của lốp và nhíp, sau đó căn

cứ vào kết quả thí nghiệm và áp dụng các công thức tính toán ta sẽ có kếtquả: c1 = 803611 N/m ;k1 = 6851 Ns/m; cn1 = 514248 N/m, kn1 = 4644 Ns/m;

cn2 = 638263 N/m

3.1.4 Xác định tọa độ trọng tâm của xe chữa cháy rừng đa năng

Tiến hành thí nghiệm và từ kết quả thí nghiệm, áp dụng các công

thức tính toán ta sẽ có tọa độ trọng tâm của xe chữa cháy rừng đa năngtheo chiều dọc, chiều cao và chiều rộng như sau :

l1 = 2,538 m; l2 = 1,687 m ; h = 1,141 m ; b1 = 1,16 m, b2 = 1,1 m

3.1.5 Xác định mômen quán tính của xe chữa cháy rừng đa năng

Để xác định mômen quán tính của xe đối với trục Ox và Oy ta làmthí nghiệm, còn mômen quán tính của các cầu xe đối với trục Ox tadùng công thức kinh nghiệm để tính

Qua kết quả thí nghiệm và áp dụng công thức tính mômen quántính, ta có: JOX = 18852 kgm2; JOY = 64770 kgm2 ; J1x =1302 kgm2;

J2x = J3x =1277 kgm2

3.2 Khảo sát trên miền thời gian

3.2.1 Phương pháp khảo sát dao động của xe chữa cháy rừng đa năng

Để khảo sát dao động của xe chữa cháy rừng đa năng chịu tácđộng của kích động mặt đất rừng là hàm ngẫu nhiên ta có thể sử dụngphương pháp mô phỏng số, đó là tạo ra các thể hiện khác nhau trên máytính sao cho tập hợp các thể hiện đó thỏa mãn các đặc trưng xác suất củaquá trình ngẫu nhiên đó, chẳng hạn như hàm mật độ xác suất hoặc hàm mật

độ phổ đã biết

3.2.2 Phần mềm để khảo sát dao đông xe chữa cháy rừng đa năng

Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink 7.7 để khảo sát

3.2.3 Sơ đồ mô phỏng hệ phương trình vi phân dao động xe chữa cháy rừng đa năng

Sz

z0

anpha0 z4

h3t

h3p

z0

anpha0 z3

h3p

peta0

z3

h3t peta3

h1t

h1p

z0

anpha0 z1

Sz z0 z1 z2 z3 Sx z4 anpha0

h1p peta0

h1t

peta3 peta1

h2p

peta0

z2 h2t

peta2 h2t

h2p

z0

anpha0 z2

peta1

peta2

peta3 peta0

Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng hệ phương trình dao động xe chữa cháy rừng

đa năng

3.2.4 Kết quả khảo sát dao động xe chữa cháy rừng đa năng

3.2.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc chuyển động của xe

Tiến hành khảo sát với các vận tốc chuyển động khác nhau của xechữa cháy rừng đa năng, v = 5 km/h; v =10km/h và v = 15 km/h, cơ cấucắt cỏ làm việc, xe không chở nước và chở đầy nước, độ cao mấp mô mặtđất rừng lấy từ kết quả thí nghiệm đo tại Núi Luốt trường Đại họcLâm nghiệp

Kết quả khảo sát theo lý thuyết được thể hiện trên đồ thị hình 3.8,3.9, 3.10

a, Ảnh hưởng của vận tốc chuyển động của xe đến gia tốc dao động thân xe

-3 -2 -1 0 1 2

(a) (b)

Hình 3.8: Đồ thị khảo sát gia tốc dao động thân xe khi vận tốc thay đổi

a, Khi xe không chở nước; b, Khi xe chở nước đầy nước.

b, Ảnh hưởng của vận tốc chuyển động của xe đến góc lắc dọc thân xe

-10 -5 0 5

10 GOC LAC DOC THAN XE

(a) (b) Hình 3.9: Đồ thị khảo sát góc lắc dọc thân xe khi vận tốc thay đổi

a, Khi xe không chở nước; b, Khi xe chở đầy nước.

c, Ảnh hưởng của vận tốc chuyển động của xe đến góc lắc ngang thân xe

-10 -5 0 5

(a) (b)

Hình 3.10: Đồ thị khảo sát góc lắc ngang thân xe khi vận tốc thay đổi

a, Khi xe không chở nước; b, Khi xe chở đầy nước

Nhận xét: Khi vận tốc tăng thì gia tốc dao động thân xe, góc lắcdọc và góc lắc ngang thân xe tăng

Từ các kết quả khảo sát ta có bảng thống kê giá trị gia tốc dao độngthân xe, góc lắc dọc thân xe và góc lắc ngang thân xe lớn nhất như trongbảng 3.2

Bảng 3.2 Giá trị lớn nhất của gia tốc dao động thân xe, góc lắc dọc và góc lắc ngang thân

xe khi chuyển động với các vận tốc khác nhau.

(Độ)

Góc lắcngang β0

(Độ)

Giatốc

max

(m/s2)

Góc lắcdọc α0

(Độ)

Góc lắcngang

1

z   (3.35)Trong đó:  z- Gia tốc dao động thân xe tại thời điểm t, m/s2;

t – Thời gian khảo sát, t = 20 s.

Từ đó ta xác định được giá trị bình phương trung bình gia tốc daođộng thân xe như trong bảng 3.4

Bảng 3.4: Giá trị bình phương trung bình của gia tốc dao động thân xe

khi chuyển động với các vận tốc khác nhau

TT Vận tốc (km/

h) Bình phương trung bình gia tốc dao động thân xeZC (m/s2)

Khi xe không chở nước Khi xe chở đầy nước

-5 0

-10 -5 0

5 GIA TOC DAO DONG CO CAU CAT CO

Hình 3.12: Đồ thị khảo sát gia tốc dao động cầu trước, cầu giữa, cầu

sau và cơ cấu cắt cỏ rác khi vận tốc thay đổi

Từ kết quả khảo sát ta có bảng thống kê các giá trị gia tốc dao độnglớn nhất của cầu trước ( z 1), cầu giữa ( z 2), cầu sau ( z 3), cơ cấu cắt cỏrác ( z 4) và từ đó tính được hệ số tải trọng động kđ như trong bảng 3.5.Bảng 3.5 Giá trị lớn nhất của gia tốc dao động cầu trước, cầu giữa, cầusau, cơ cấu cắt cỏ rác và hệ số tải trọng động kđ khi xe chuyển động với

3.2.4.2 Ảnh hưởng của độ mấp mô mặt đất rừng

Độ mấp mô mặt đất rừng có ảnh hưởng rất lớn đến gia tốc daođộng thân xe, góc lắc dọc và góc lắc ngang thân xe Việc lựa chọn vậntốc chuyển động của xe như thế nào cho phù hợp với các độ mấp mô mặtđất rừng để đảm bảo cho xe hoạt động an toàn, hiệu quả có một ý nghĩahết sức quan trọng

Để đánh giá ảnh hưởng của độ mấp mô mặt đất rừng đến gia tốcdao động thân xe, góc lắc dọc và góc lắc ngang thân xe, ta giải hệphương trình (2.16) với các độ mấp mô mặt đất rừng bình phương trungbình (h) = 0,1m; (h) = 0,2 m; (h) = 0,3 m; vận tốc chuyển động của

xe v = 5 km/h, v = 10 km/h và v = 15 km/h, khi xe không chở nước, cơcấu cắt cỏ làm việc

a, Ảnh hưởng đến gia tốc dao động thân xe

-6 -4 -2 0 2 4

6 GIA TOC DAO DONG THAN XE

(a) (b)

Hình 3.13: Đồ thị gia tốc dao động thân xe khi chiều cao mấp mô bình

phương trung bình mặt đất rừng (h) thay đổi

a,Khi (h) = 0,1 m; b, Khi (h) = 0,2 m.

Từ kết quả khảo sát chúng ta có bảng thống kê các giá trị gia tốcdao động thân xe lớn nhất và hệ số tải trọng động kđ khi thay đổi chiềucao mấp mô bình phương trung bình mặt đất rừng (h) như trong bảng 3.6.Bảng 3.6: Giá trị lớn nhất của gia tốc dao động thân xe và hệ số tải trọngđộng kđ khi chuyển động trên các loại đường có chiều cao mấp mô bình

phương trung bình mặt đất rừng (h) khác nhauTT

Từ kết quả khảo sát, áp dụng công thức (3.35), chúng ta xác địnhđược các giá trị bình phương trung bình gia tốc dao động thân xe khithay đổi độ mấp mô mặt đất rừng như trong bảng 3.7.

Bảng 3.7: Giá trị bình phương trung bình của gia tốc dao động thân xekhi chuyển động trên các loại đường có chiều cao mấp mô bình phương

-10 -5 0 5

(a) (b)

Hình 3.15: Đồ thị khảo sát góc lắc dọc thân xe khi chiều cao mấp mô

bình phương trung bình mặt đất rừng (h) thay đổi

T bình phương trungĐộ cao mấp mô