NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM MŨ BẢO HIỂM THEO QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE THE TESTING EQUIPMENT FOR HELMET ACCORDING TO NATIONAL T
Trang 1NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM
MŨ BẢO HIỂM THEO QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA
RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE THE TESTING EQUIPMENT FOR
HELMET ACCORDING TO NATIONAL TECHNICAL STANDARDS
Tr ần Đức Đạt 1a , Vương Anh Khôi 1b , Lê Thành Nhân 2c ,
Nguy ễn Vinh Dự 1d , Ph ạm Sơn Minh 3e
1Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ TP HCM
2Trường Cao Đẳng Kinh tế Kỹ thuật TP HCM
3Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
a tddat.skhcn@tphcm.gov.vn, b vuonganhkhoi10@gmail.com
c lethanhnhan@hotec.edu.vn, d nvdu.skhcn@tphcm.gov.vn, e minhps@hcmute.edu.vn
TÓM TẮT
Hiện nay, nhiều nước trên thế giới phải đối mặt với vấn đề là số lượng người bị thương hay bị chết do tai nạn khi lái xe 2 bánh đang tăng lên Phần lớn tỷ lệ tử vong và tai nạn thương tích nghiêm trọng hậu quả là do chấn thương đầu Việc kiểm soát được chất lượng mũ bảo
hiểm sẽ nâng cao hiệu quả cho việc giảm chấn thương đầu cũng như tai nạn thương tích nghiêm trọng Chính vì lẽ đó việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm mũ bảo
hiểm theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia là rất cần thiết Trong bài báo này, nhóm tác giả sử
dụng thiết kế trên LAP kết hợp thử nghiệm ảo hiện tượng va đập nón bảo hiểm trên máy tính: dùng Visual Basic.NET để lập trình tính toán, mô phỏng và tối ưu nón bảo hiểm
Từ khóa: thiết bị thử nghiệm, nón bảo hiểm, quy chuẩn kỹ thuật
ABSTRACT
Nowardays, many countries in the world face up to the problem of injured or died people because of motorbike accidents which is increasing Most of mortality and serious accidents cause by head injury The quality control of helmets will enhance efficiency for reducing head injuries as well as serious injuries Therefore, the study, design and manufacture the testing equipment for helmet according to the national technical standard is essential In this article, the authors use the design on LAP combining virtual test of collision helmet; on the computer: using Visual Basic.NET to programme, calculate, simulate and optimize the helmet
Keywords: testing equipment, helmet, technical standard
1 GI ỚI THIỆU
Theo [6]: Tai nạn giao thông đường bộ và vấn đề sức khỏe cộng đồng chính là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong và thương tích trên thế giới Mỗi năm có gần 1,2 triệu người chết
và nhiều triệu người bị thương tích hay tàn tật do bị tai nạn xe, mà tập trung hầu hết ở các nước
có thu nhập thấp và trung bình Trong đó số tai nạn liên quan đến xe máy chiếm đến 70%, trong đó số vụ gây chấn thương sọ não chiếm đến 2/3 Tai nạn giao thông đường bộ đặt ra một gánh nặng về sức khỏe và kinh tế Chi phí này chiếm từ 1-2% tổng sản phẩm quốc gia Tại nước ta, cùng với sự gia tăng đáng kể các phương tiện đi lại cá nhân, nhất là xe gắn máy, ý
thức luật lệ giao thông còn hạn chế nên tai nạn giao thông đường bộ sẽ gia tăng đột ngột với
hầu hết các khu vực, ít nhất trong hai thập kỷ tới Việc tìm ra những biện pháp ngăn ngừa,
giảm thiểu nguy cơ chấn thương nghiêm trọng của tai nạn đòi hỏi nhà nước phải có những biện pháp thích hợp, trong đó những quy định kiểm soát chất lượng của các loại mũ bảo hiểm cho
xe gắn máy, xe điện trong sản xuất là vấn đề đã được nhà nước quan tâm
Trang 2Hàng năm, Việt Nam mất đi 22.000 mạng sống do tại nạn giao thông đường bộ, điều đó càng cho thấy việc cải thiện chất lượng mũ bảo hiểm là việc làm thật sự cần thiết và có ý nghĩa Đội mũ bảo hiểm khi tai nạn xảy ra được chứng minh làm giảm nguy cơ chấn thương nghiêm trọng đến 69% và giảm nguy cơ tử vong đến 42% theo nghiên cứu gần đây của Tổ
chức y tế thế giới [5]
Do đó, việc nghiên cứu cơ bản và chế tạo thiết bị thử nghiệm phù hợp với điều kiện
Việt Nam, có thể kiểm tra các chỉ tiêu quan trọng được quy định trong quy chuẩn kỹ thuật
Việt Nam về mũ bảo hiểm cho người đi mô tô, xe máy là một vấn đề cấp thiết và cần khuyến khích trong thời điểm hiện nay
2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để có thể kiểm soát được toàn diện chất lượng các loại mũ bảo hiểm, các quy trình thử nghiệm với những thiết bị cần thiết đã được nghiên cứu và triển khai trên khắp thế giới Theo QCVN2:2008/BKHCN thì việc thử nghiệm mũ bảo hiểm bao gồm các bước sau:
- Thử độ bền va đập và hấp thụ xung động của mũ bảo hiểm
- Thử độ bền đâm xuyên của mũ bảo hiểm
- Thử kiểm tra độ bền quai đeo của mũ bảo hiểm
- Thử kiểm tra góc nhìn của mũ bảo hiểm
- Thử độ ổn định của mũ bảo hiểm
Trong đó, hai công đoạn thử độ bền và thử va đập-hấp thụ xung động và thử độ bền
đâm xuyên là quan trọng nhất
Theo[2]: thiết kế thiết bị kiểm tra nón bảo hiểm theo Quy chuẩn Việt Nam phục vụ cho công tác quản lý nhà nước về hàng hóa đặc chủng này
Ứng dụng chương trình HCC về việc thử nghiệm ảo hiện tượng va đập nón bảo hiểm trên máy tính: Thiết kế, mô phỏng, chế tạo máy tích hợp kiểm tra độ bền va đập và độ thử đâm xuyên nón bảo hiểm theo Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam (QCVN2:2008/BKHCN) về mũ bảo
hiểm cho người đi mô tô, xe máy ban hành theo Quyết định số 04/2008/QĐ-BKHCN ngày 28 tháng 4 năm 2008 của Bộ trưởng Bộ KHCN trong cùng một hệ thống xử lý số liệu và hiển thị Thiết bị sau khi hoàn chỉnh phải đạt được các mục tiêu yêu cầu như sau:
- Mô phỏng được quá trình kiểm tra các chỉ tiêu theo quy chuẩn Việt nam
- Có thể kiểm tra tích hợp các chỉ tiêu chính: độ va đập và độ đâm xuyên nón bảo hiểm
- Đơn giản trong vận hành, dễ sử dụng và vệ sinh bảo dưỡng, an toàn cho người vận hành, công nhân vận hành không cần phải có tay nghề cao
- Kết cấu hợp lý, gọn nhẹ, đảm bảo độ cứng vững và mỹ quan công nghiệp
3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Th ử bền va đập và hấp thụ xung động
3.1.1 Đối với nón cỡ nhỏ
Theo [1] [4]: Nón thử được đội chặt lên dạng đầu thử trên khối va đập Buộc chặt quai đeo (hoặc có thể dùng dây buộc bên ngoài sao cho cố định mũ thử với dạng đầu thử nhưng không ảnh hưởng đến vị trí va đập trên nón) Khối va đập được thả rơi tự do từ một vị trí
thẳng đứng đi qua tâm đe, khoảng cách từ điểm thấp nhất của mũ đến điểm cao nhất của đe
phẳng là 1500 5
0 + mm, đối với đe cầu là 1200 5
0
+
mm Ghi nhận gia tốc va đập tức thời và xem xét tình trạng của nón sau khi thử
Trang 3Điều chỉnh khớp cầu trên khối va đập để tiến hành thử ở bốn vùng trên nón Mỗi vùng thử một vị trí Các vùng này nằm trong phạm vi che chắn, bảo vệ của mũ và tâm của điểm thử nằm ở phía trên đường bảo vệ ít nhất là 20 mm Tâm của vị trí thử cách nhau ít nhất 72 mm Hai vùng thử trên đe cầu, hai vùng thử trên đe phẳng
3.1.2 Đối với nón cỡ trung và cỡ lớn
Theo[1], [3]: Nón thử được đội chặt lên dạng đầu thử trên khối va đập Buộc chặt quai đeo (hoặc có thể dùng dây buộc bên ngoài sao cho cố định mũ thử với dạng đầu nhưng không ảnh hưởng đến vị trí va đập trên nón) Khối va đập được thả rơi tự do từ một vị trí thẳng đứng
đi qua tâm đe, khoảng cách từ điểm thấp nhất của mũ đến điểm cao nhất của đe phẳng là
1830+05 mm, đối với đe cầu là 1385 5
0 +
mm
Ghi nhận gia tốc va đập tức thời, gia tốc dư sau 3 miligiây và 6 miligiây và xem xét tình
trạng của mũ sau khi thử
Điều chỉnh khớp cầu trên khối va đập để tiến hành thử ở bốn vùng trên nón Các vùng này nằm trong phạm vi che chắn, bảo vệ của mũ, cách nhau ít nhất 1/5 chu vi vòng đầu Mỗi vùng thử hai vị trí sao cho tâm của hai vị trí này cách nhau không quá 6 mm Hai vùng thử trên đe cầu, hai vùng thử trên đe phẳng
3.2 Th ử đâm xuyên
Dạng đầu thử bằng kim loại hoặc gỗ cứng có gắn kim loại, như mô tả trong hình 3 Phần chỏm cầu của dạng đầu thử có bán kính cầu 82,5 mm ± 0,5 mm, chiều cao nhỏ nhất 133 mm Phía trên đỉnh dạng đầu thử có gắn một lõi chì Đầu đâm xuyên và lõi chì này được liên kết bằng hệ thống tín hiệu điện sao cho khi có sự tiếp xúc giữa chúng sẽ nhận được tín hiệu chỉ báo (đèn báo hoặc chuông báo,…) Dạng đầu thử được gắn chặt lên một giá đỡ cứng vững Đầu đâm xuyên có dạng hình côn ở phần phía dưới, phần này có các thông số theo quy định sau [7]:
-Khối lượng : 3,0 kg± 0,045 kg;
-Góc côn : 60 0± 0,5 0;
-Bán kính đầu : 0,5 mm ± 0,1 mm;
-Độ cứng đầu : 45 HRC đến 50 HRC;
-Chiều cao nhỏ nhất của phần côn : 40 mm;
Mũ thử được đội chặt lên dạng đầu thử, buộc chặt quai đeo (hoặc có thể dùng dây buộc bên ngoài sao cho cố định mẫu thử với dạng đầu thử nhưng không ảnh hưởng đến vị trí thử đâm xuyên trên đỉnh nón) Đầu đâm xuyên được thả rơi tự do từ một vị trí thẳng đứng cách điểm thử đâm xuyên trên đỉnh nón thử một khoảng cách 2000 mm ± 5 mm Phạm vi thử đâm xuyên giới hạn trong bán kính 30 mm ± 1 mm xung quanh đỉnh mũ Ghi nhận có hay không
sự tiếp xúc giữa đầu đâm xuyên với dạng đầu thử Khi có sự nghi ngờ, phải tiến hành thử lần thứ hai trên cùng nón thử ở một vị trí khác trong phạm vi thử
4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
4.1 Cơ sở thiết lập phương trình dao động
Cơ sở để thiết lập phương trình chuyển động nói chung, dao động nói riêng, là các nguyên lý, định luật, định lý cơ học
Định luật II Newton:
Định luật II Newton được dùng khi cơ hệ khảo sát có thể được coi như một chất điểm, hay một vật rắn tuyệt đối chuyển động tịnh tiến mà hệ lực tác dụng lên vật rắn đồng quy tại
khối tâm khối tâm của vật Ta viết phương trình ở dạng vi phân [2]:
Trang 4k
d r
Trong đó: r - véctơ định vị của điểm (cuả khối tâm của vật) khảo sát
k
F
- lực tác dụng thứ k
t - thời gian
Nguyên lý D’Alamber:
Nguyên lý D’ Alamber có các dạng sau:
- Cơ hệ là một chất điểm:
0
F +F +F =
(2) Trong đó: qt
F = −mω
- lực quán tính của điểm khảo sát
ω- vectơ gia tốc của điểm
Phương trình Lagrange:
Kí hiệu q1, q2, q3,…, qn là các toạ độ suy rộng của hệ có nhiều bậc tự do Phương trình
vi phân chuyển động của hệ trong các toạ độ suy rộng gọi là phương trình lagrange, có dạng như sau:
1
2
n
Q
Q
Q
(3)
Trong đó:
1
1
2
2
k k k k k k
k
r
q r
q
r
q
∂
=
∂
∂
=
∂
∂
=
∂
∑
∑
∑
(4)
Các Q1, Q2, , Qn gọi là các lực suy rộng, tương ứng lần lượt với các toạ độ suy rộng q1, q2, …, qn
4.2 T ính toán thiết kế
4.2.1 Phân tích sơ đồ
- Theo quy chuẩn [1], cơ cấu máy thử va đập được thiết kế bằng cáp treo dẫn hướng, được kéo và thả bằng hệ thống nam châm điện, khối rơi được nghiêng theo góc va chạm, có
thể điều chỉnh khối rơi cho va chạm tại các vị trí thử
- Có hai hệ thống được sử dụng phổ biến để biểu diễn cơ chế trượt gồm: trượt theo thanh ray dẫn hướng, hoặc cáp treo
Trang 5Hình 1 Sơ đồ nguyên lý thử độ bền va đập và hấp thụ xung động
-Cơ cấu máy thử va đập được thiết kế bằng cáp treo dẫn hướng, được kéo và thả bằng
hệ thống nam châm điện hoặc cơ khí, khối rơi được nghiêng theo góc va chạm, có thể điều chỉnh khối rơi cho va chạm tại các vị trí thử
4.2.2 Cơ chế trượt
- Cấu tạo: gồm hai con trượt tròn có bọc ngoài ø 16mm, hai vòng bi lăn ø 10 mm, thép tấm kích thước 44 × 150 ×5 mm gia công thêm ống sắt ø 25 mm nghiêng góc 250như hình 1
- Chức năng: là chi tiết gắn tay giữ đầu thử và trượt trên thanh ray theo phương thẳng đứng
Hình 2 Hình vẽ thanh trượt
4.2.3 Các chi tiết của mô hình thiết kế cần cho mô phỏng
Cấu tạo hệ thống trượt: gồm thanh ray trượt tròn và vòng bi đỡ tròn khuyết trượt trên thanh ray
4.2.4 Tay giữ đầu thử
Cấu tạo: ống thép C45 gồm 2 miếng đặt song song 2 bên
Chức năng: gắn mũi đâm xuyên, gắn bi cân bằng
Hình 3 Tay cầm
Trang 64.2.5 Dạng đầu thử
Theo Quy Chuẩn [1] dạng đầu thử làm bằng hợp kim magie (hợp kim chứa 0.5% zircon còn lại là magie) hay bằng vật liệu khác sao cho tần số riêng của dạng đầu thử không dưới 3 kHz
- Cấu tạo: Dạng đầu thử bằng kim loại hoặc gỗ cứng có gắn kim loại, như mô tả trong hình 3 Phần chỏm cầu của dạng đầu thử có bán kính cầu 82,5 mm± 0,5 mm, chiều cao nhỏ
nhất 133 mm Phía trên đỉnh dạng đầu thử có gắn một lõi chì Dạng đầu thử được gắn chặt lên
một giá đỡ cứng vững
- Chức năng: Đầu đâm xuyên và lõi chì này được liên kết bằng hệ thống tín hiệu điện sao cho khi có sự tiếp xúc giữa chúng sẽ nhận được tín hiệu chỉ báo (đèn báo hoặc chuông báo,…)
Hình 4 Dạng đầu thử đâm xuyên theo [1]
4.3 Quy trình mô phỏng
Bước 1: Đưa mô hình từ SolidWork vào ADAMS
Bước 2: Thực hiện gán vật liệu cho các chi tiết
Mô hình máy thử có nhiều chi tiết với nhiều loại vật liệu khác nhau như phần đế làm từ thép, hợp kim nhôm, hợp kim magie được lấy từ trong chương trình ADAMS
Bảng 1 Thông số vật liệu của các chi tiết máy va đập Thép Hợp kim
nhôm Hợp kim magiê ABS EPS
Thông
số vật
liệu
E = 207 GPa
Poisson = 0.29
Density = 7801
kg/m3
E = 71.7 GPa Poisson = 0.33 Density = 2740 kg/m3
E = 44.8 GPa Poisson = 0.35 Density = 1795 kg/m3
E = 1.7 GpaPoisson = 0.35
Density = 1030 kg/m3
E = 2480 kPa Poisson = 0.0864 Density = 15 kg/m3
Bước 3: Liên kết các chi tiết
Bước 4: Thiết lập gia tốc và va chạm
Bước 5: Thực hiên mô phỏng
5 KẾT QUẢ
Trong ADAMS thực hiện mô phỏng với môi trường lí tưởng, các chuyển động và liên
kết không chịu ma sát hay lực cản không khí Khi đó, các giá trị vận tốc và gia tốc đo được là cao nhất cao hơn so với thực nghiệm Nếu kết quả đó thỏa mãn tiêu chuẩn thì kết quả trong trường hợp có ma sát cũng thỏa mãn Vì vậy, trong mô phỏng này, hướng tới các kết quả khi không có ma sát
Trang 7a Quy chu ẩn QCVN 2:2008/BKHCN
Gia tốc dội lại tức thời đối
với mũ có chu vi vòng đầu Gia tmũ có chu vi vòng đầu ốc dư sau 3 ms đối với Gia tmũ có chu vi vòng đầu ốc dư sau 6 ms đối với
<500 mm: 225 g < 500 mm: 175 g < 500 mm: 125 g;
≥500 mm: 300 g ≥ 500 mm: 200 g ≥ 500 mm: 150 g
b K ết quả mô phỏng
V ị trí phía trước (Front)
Hình 5 K ết quả mô phỏng vị trí phía trước 5a Hành trình theo th ời gian của trường hợp thử vị trí phía trước
5b Sự biến thiên vận tốc theo thời gian của trường hợp thử vị trí phía trước
Thời gian khối va đập rơi đến đe là 0.6125s với vận tốc lúc trước va chạm là 5.984 m/s Gia tốc va cham lúc va đập: 2466 m/s2 (252G < 300G)
Gia tốc sau va chạm 3ms: 723 m/s2 (74G < 200G)
Gia tốc sau va chạm 6ms: -9.8 m/s2 (-1G < 150G)
Theo Quy chuẩn [1] thì tại vị trí phía trước, trong lần thử đầu tiên nón bảo hiểm này đạt tiêu chuẩn
V ị trí phía sau (Back)
Hình 6 K ết quả mô phỏng vị trí phía sau 6a Hành trình theo th ời gian của trường hợp thử vị trí phía sau
6b Sự biến thiên vận tốc theo thời gian của trường hợp thử vị trí phía sau
Thời gian khối va đập rơi đến đe là 0.6127s với vận tốc lúc trước va chạm là 5,97 m/s Gia tốc va cham lúc va đập: 24848 m/s2 (290G < 300G)
Gia tốc sau va chạm 3ms: 204 m/s2 (21G < 200G)
Gia tốc sau va chạm 6ms: -9,8 m/s2 (-1G < 150G)
Theo Quy chuẩn quốc gia thì tại vị trí phía sau, trong lần thử đầu tiên nón bảo hiểm này đạt tiêu chuẩn
Trang 86 K ẾT LUẬN
Việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế nón bảo hiểm đã đạt được 2 mục tiêu:
- Một là: hỗ trợ tốt cho công tác quản lý nhà nước về kiểm tra nón bảo hiểm sao cho đảm bảo chất lượng theo yêu cầu
- Hai là: bảo đảm đã làm chủ công nghệ, chế tạo ra thiết bị đạt các thông số sau:
Giá trị gia tốc dội: gia tốc dội lại tức thời và sau 3 ms, 6 ms phải phù hợp với yêu cầu
của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2008/BKHCN
Giá trị gia tốc dội lại tức thời, sau 3 ms và 6 ms được làm tròn đến 1G (với G: gia tốc
trọng trường)
Đây là các kết quả quan trọng để làm cơ sở đánh giá đưa vào sản xuất và tiến hành thử nghiệm
L ỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ và tài trợ kinh phí của Sở Khoa học
và Công nghệ TP HCM
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Quy chuẩn quốc gia về mũ bảo hiểm cho người đi mô tô và xe máy, Bộ Khoa học và Công nghệ, 2008
[2] Trần Công Nghị - Ngô Kiều Nhi, Dao động kỹ thuật, NXB ĐHQG TP HCM, 2010
[3] Tiêu chuẩn về Mũ bảo vệ cho người đi mô tô xe máy (TCVN 5756:2001)
[4] Tiêu chuẩn Mũ bảo hiểm cho trẻ em khi tham gia giao thông trên mô tô và xe máy (TCVN 6979:2001)
[5] Cẩm nang an toàn giao thông đường bộ cho những nhà hoạch định kế hoạch và những người thực thi, WHO, 2006
[6] PGS.TS Nguyễn Thị Thiềng và nhóm nghiên cứu, Báo cáo về Điều tra hành vi và thái độ
đội mũ bảo hiểm của người tham gia giao thông do Quỹ phòng chống thương vong Châu
Á tài tr ợ
[7] Hướng dẫn sử dụng thiết bị va đập và hấp thu xung động
THÔNG TIN CÁ NHÂN
1 ThS Tr ần Đức Đạt Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ Sở Khoa học và
Công nghệ TP.HCM
Email: tddat.skhcn@tphcm.gov.vn Điện thoại: 090 825 2054
2 KS Vương Anh Khôi Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ Sở Khoa học
và Công nghệ TP.HCM
Email: vuonganhkhoi10@gmail.com Điện thoại: 090 982 1647
3 KS Lê Thành Nhân Trường Cao Đẳng Kinh tế Kỹ thuật TP.HCM
Email: lethanhnhan@hotec.edu.vn Điện thoại: 090 889 1197
4 ThS Nguy ễn Vinh Dự Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ Sở Khoa học
và Công nghệ TP.HCM
Email: nvdu.skhcn@tphcm.gov.vn Điện thoại: 091 851 4951
5 TS Ph ạm Sơn Minh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
Email: minhps@hcmute.edu.vn Điện thoại: 093 822 6313
