Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng

Để có cơ sở lý thuyết cho việc hoàn thiện hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng cần phải nghiên cứu sâu về nguyên lý, các thông số động lực học...để từ đó xác

=====***=====

NGUYỄN THẾ SƠN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG LÀM BĂNG CÁCH LY ĐÁM CHÁY TRÊN XE

CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG

LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Kü thuËt

HÀ NỘI – 2011

=====***=====

NGUYỄN THẾ SƠN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG LÀM BĂNG CÁCH LY ĐÁM CHÁY TRÊN XE

CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG

Chuyªn ngµnh: Kü thuËt m¸y vµ thiÕt bÞ c¬ gíi hãa N«ng l©m nghiÖp

M· sè: 60.52.14

Ng-êi h-íng dÉn khoa häc

TS D-¬ng v¨n tµi

HÀ NỘI – 2011

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Rừng là lá phổi xanh của toàn nhân loại, nơi dự trữ sinh quyển và là yếu tố quyết định đến sự tồn tại, phát triển của sự sống trên trái đất Ở Việt Nam có khoảng 12,6 triệu ha rừng, trong đó có khoảng gần 3 triệu ha rừng đặc dụng, rừng phòng hộ và khoảng 2 triệu ha rừng trồng Hàng năm rừng đã cung cấp một khối lượng lớn lâm sản cho các ngành kinh tế quốc dân Một tác dụng to lớn khác của rừng đó là điều hòa khí hậu, chống lũ quét, sói mòn đất, giữ nước cho hồ thủy điện, hạn chế sự biến đổi khí hậu toàn cầu

Nhưng hiện nay diện tích rừng ở nước ta và trên thế giới đang ngày càng bị suy giảm nghiêm trọng, một trong những nguyên nhân gây mất rừng

đó là do cháy rừng gây ra

Theo thống kê của cục Kiểm lâm, hàng năm ở Việt Nam có hàng trăm

vụ cháy rừng, thiêu hủy hàng nghìn ha rừng, gây thiệt hại hàng nghìn tỷ đồng, làm ảnh hưởng đến môi trường sinh thái

Nhận thức được tác hại do cháy rừng gây ra, chính phủ và các cấp các ngành, các địa phương đã đầu tư nhiều trang thiết bị, các giải pháp nhằm hạn chế thấp nhất diện tích rừng bị cháy

Song hiện nay việc chữa cháy rừng chủ yếu bằng biện pháp thủ công như: dùng cành lá, vỉ dập lửa, cào, từ đó dẫn đến năng suất và hiệu quả dập lửa thấp, tốn nhiều công sức Một số đơn vị đã sử dụng một số thiết bị chữa cháy như máy bơm nước, xe ô tô chữa cháy rừng , nhưng hiệu quả chữa cháy thấp, không phù hợp với địa hình ở Việt Nam

Năm 2008 Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Trường Đại học

Lâm Nghiệp chủ trì đề tài trọng điểm 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 Kết quả nghiên cứu của đề tài đã thiết kế, chế tạo và khảo

nghiệm xe chữa cháy rừng đa năng, trên xe sử dụng nhiều công nghệ và kỹ thuật chữa cháy rừng, trong đó có công nghệ làm băng cách ly khoanh vùng

cô lập đám cháy rất có hiệu quả

Công nghệ làm băng cách ly khoanh vùng cô lập đám cháy được sử dụng trên xe chữa cháy rừng đa năng là nguyên lý mới lần đầu tiên được sử dụng ở Việt Nam Trong kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước chỉ tập chung giải quyết khâu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm mà chưa tập trung nghiên cứu sâu về nguyên lý, tính toán tối ưu các thông số của hệ thống

Để có cơ sở lý thuyết cho việc hoàn thiện hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng cần phải nghiên cứu sâu về nguyên lý, các thông số động lực học để từ đó xác định các thông số tối ưu của hệ thống Với

lý do đã trình bày ở trên, tôi đi đến chọn và thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống làm băng cách ly đám cháy, đồng thời xác định thông số tối ưu của hệ thống đó trên xe chữa cháy rừng đa năng

3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng, đây là vấn đề rộng và cần có thời gian dài Trong phạm vi đề tài này tôi chỉ tập trung nghiên cứu:

- Nghiên cứu phần nguyên lý hoạt động của hệ thống làm băng cách ly đám cháy ; không nghiên cứu phần dao động, dung động của hệ thống

- Thiết bị nghiên cứu của đề tài là hệ thống làm băng cách ly đám cháy của xe chữa cháy rừng đa năng mà đề tài cấp nhà nước KC07.13/06-10 đã

thiết kế chế tạo, không nghiên cứu tất cả các phương án làm băng cách ly đám cháy khác nhau

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Với phạm vi nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, để đạt được mục tiêu của đề tài đặt ra, luận văn giải quyết các vấn đề sau:

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải quyết các vấn đề sau:

- Xây dựng mô hình tính toán hệ thống làm băng cách ly đám cháy để chữa cháy rừng;

- Thiết lập công thức tính toán lực cắt của hệ thống làm băng cách ly đám cháy;

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt cỏ rác của hệ thống làm băng cách ly đám cháy ;

- Thiết lập công thức tính công suất cần thiết của hệ thống làm cơ sở để lựa chọn nguồn động lực

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm các kết quả tính toán theo lý thuyết, đồng thời xác định các thông số tối ưu của hệ thống làm băng cách ly đám cháy Do vậy, nội dung nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các vấn đề sau:

- Xác định năng suất của hệ thống băng cách ly đám cháy;

- Xác định đường kính trống dao;

- Xác định chiều dài dao cắt;

- Xác định khối lượng dao cắt;

- Xác định góc cắt của dao cắt

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về tình hình cháy rừng ở Việt Nam và trên thế giới

1.1.1 Tình hình cháy rừng ở Việt Nam

Việt Nam hiện có trên 12,8 triệu ha rừng (độ che phủ tương ứng là 38,8%), với 10,8 triệu ha rừng tự nhiên và 2 triệu ha rừng trồng Trong những năm gần đây diện tích rừng tăng lên, nhưng chất lượng rừng còn suy giảm, rừng nguyên sinh chỉ còn khoảng 7%, trong khi rừng thứ sinh nghèo kiệt chiếm gần 70% tổng diện tích rừng trong cả nước, đây là loại rừng dễ xảy ra cháy, hiện nay Việt Nam có khoảng 6 triệu ha rừng dễ cháy bao gồm: rừng thông, rừng tràm, rừng tre nứa, rừng khộp, rừng non khoanh nuôi tái sinh tự nhiên và rừng đặc sản…, cùng với diện tích rừng dễ xảy ra cháy rừng hàng năm, thì tình hình diễn biến thời tiết ngày càng phức tạp và càng khó lường ở Việt Nam đang làm nguy cơ tiềm ẩn cháy rừng và cháy lớn ngày càng nghiêm trọng

Trong vài thập kỷ qua, trung bình mỗi năm Việt Nam mất đi hàng chục ngàn ha rừng, trong đó mất do cháy rừng khoảng 16.000 ha Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ về cháy rừng và thiệt hại do cháy rừng gây ra trong vòng 40 năm qua (1963 - 2002) của Cục Kiểm lâm thì tổng số vụ cháy rừng là trên 47.000 vụ, diện tích thiệt hại trên 633.000 ha rừng (chủ yếu là rừng non), trong đó có 262.325 ha rừng trồng và 376.160 ha rừng tự nhiên Thiệt hại ước tính mất hàng ngàn tỷ đồng, đó là chưa kể đến những ảnh hưởng xấu về môi trường sống, cùng những thiệt hại do làm tăng lũ lụt ở vùng hạ lưu mà chúng

ta chưa xác định được và làm giảm tính đa dạng sinh học, phá vỡ cảnh quan, tác động xấu đến an ninh quốc phòng… Ngoài ra còn gây thiệt hại đến tính mạng và tài sản của con người

Một số số liệu điển hình về cháy rừng và thiệt hại do cháy rừng gây ra

ở Việt Nam trong những năm qua như sau:

Năm 1976, tại tỉnh Cà Mau đã cháy 21.000 ha rừng Tràm, làm 02 người chết; tại Quảng Ninh từ năm 1962 - 1983, diện tích rừng Thông bị cháy là 15.800 ha với trên 10.000 bát nhựa bị cháy, vỡ gây thất thu hàng ngàn tấn nhựa thông và một số kho tàng bị cháy; ở tỉnh Lâm Đồng từ năm 1981 -

1994 cháy 43.238 ha rừng Thông và một số rừng trồng khác; ở tỉnh Cà Mau

và Kiên Giang diện tích rừng Tràm bị cháy trong 4 năm (1976 - 1980) là 43.600 ha gây thiệt hại 2 triệu m3 gỗ, củi và nhiều loại côn trùng, động vật cư trú tại đó, đồng thời cháy cả lớp than bùn từ 0,8 đến 1,2 m gây thiệt hại hàng trăm tỷ đồng, đặc biệt năm 1998 Kiên Giang bị cháy 4.262 ha rừng, tổn thất trên 20 tỷ đồng; ở tỉnh Thừa Thiên Huế, mùa khô năm 1991, do dùng lửa thiếu ý thức đã làm cháy hơn 300 ha rừng Thông, trong thời gian rất ngắn đã thiêu huỷ cả khu rừng gây trồng hơn 10 năm tuổi; các tỉnh Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk và Lâm Đồng là những tỉnh bị cháy rừng khá lớn, chỉ tính riêng từ năm 1992 - 2000, bốn tỉnh đó xảy ra 1.825 vụ cháy rừng, gây thiệt hại trên 13.290 ha rừng kinh tế, [6]

Năm 1998, cả nước chịu ảnh hưởng của hiện tượng El Nilo đã xảy ra cháy trên 15.000 ha rừng, làm chết 13 người Năm 2002, đã xảy ra 1.198 vụ cháy rừng, thiệt hại 15.548 ha rừng (4.125 ha rừng tự nhiên và 11.423 ha rừng trồng), trong đó thiệt hại do hai vụ cháy rừng U Minh là 5.415 ha, giá trị lâm sản thiệt hại ước tính khoảng 290 tỷ đồng (theo giá thị trường tại U Minh khoảng 500.000đ/m3), chưa kể hàng chục tỷ đồng chi phí chữa cháy và chi phí để phục hồi phục hồi rừng của nhà nước Ngày 27/3/2006, tại Mù Cang Chải (Yên Bái), cháy 21,5 ha rừng trồng, thiệt hại 100% Ngày 17/3/2006 tại ban quản lý rừng đặc dụng Thanh Thuỷ (Hà Giang) cháy 25,1 ha rừng tự nhiên, thiệt hại 100%, [7]

Cuối năm 2009 đầu năm 2010 với thời tiết nắng nóng bất thường, có thời kỳ cao điểm trong một ngày có hàng trăm vụ cháy rừng sẩy ra ở cả ba

Miền trong cả nước Để tổng hợp tình hình cháy rừng ở Việt Nam chúng tôi thống kê như ở bảng 1.1

Bảng 1.1: Tổng hợp tình hình cháy rừng ở Việt Nam từ năm 2000 - 2009

Tổng cháy rừng (ha) Ghi chú

1.1.2 Tình hình cháy rừng trên thế giới

- Ở Nga: Tháng 8/2010, hạn hán nặng nề đã khiến hơn 65.000 ha diện

tích rừng và đồng cỏ của Nga thuộc trên dãy Ural;

- Ở Mỹ: Tại Great Idaho (8/1911) cháy rừng đã thiêu huỷ 30.000 ha;

- Ở Hy Lạp: Những đám cháy liên tục tại nước này từ năm 1998 tới

tháng 7 năm 2000 đã gây nên sự quan tâm của thế giới;

- Ở Pháp: Năm 1975 có tới 350 vụ cháy rừng với tổng thiệt hại 155.000

ha

- Ở Australia: Năm 1976 cháy rừng đã thiêu huỷ 1,7 triệu ha;

- Ở Trung Quốc: Năm 1987 có khoảng 3 triệu ha rừng đã bị cháy

Hiện nay vấn đề về môi trường như: biến đổi khí hậu, nước biển dâng, cháy rừng …là vấn đề chung của toàn nhân loại chứ không riêng một quốc gia nào Vì vậy bảo vệ môi trường, chống cháy rừng là nhiệm vụ của toàn nhân loại để bảo vệ cuộc sống của chính mình

Tóm lại: Do biến đổi khí hậu toàn cầu nên thời tiết ngày càng thay đổi

bất thường, dẫn đến cháy rừng ngày càng diễn biến phức tạp, nguy cơ cháy rừng ngày càng cao, số vụ và diện tích do cháy rừng gây ra không được kiềm chế, do vậy công việc phòng và chữa cháy rừng cần phải được quan tâm đặc biệt của chính phủ, các địa phương, các ngành và các nhà khoa học để hạn

chế thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu các thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới

Cháy rừng là một thảm häa thiên nhiên mà bất cứ quốc gia nào trên thế giới đều phải quan tâm, chú trọng đầu tư nghiên cứu, ứng dụng các kỹ thuật phòng chữa cháy và chế tạo các thiết bị chuyên dụng để chữa cháy rừng nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra

Đặc điểm của cháy rừng là xảy ra trên một diện tích rộng lớn, điều kiện địa hình phức tạp, xa nguồn nước, tốc độ lan tràn của ngọn lửa lớn, do vậy việc chữa cháy rừng có đặc điểm riêng khác với chữa cháy dân dụng và công nghiệp Việc áp dụng các thiết bị chữa cháy công nghiệp và dân dụng vào chữa cháy rừng là không có hiệu quả và không phù hợp [36], [37]

Có nhiều công trình nghiên cứu công nghệ chữa cháy rừng trên thế giới, theo các công trình [36], [43], căn cứ vào đặc điểm của vật liệu cháy trong rừng người ta chia cháy rừng thành 3 loại: Cháy trên mặt đất (cháy thảm

cỏ cây bụi, lá khô), cháy trên tán cây (cháy dây leo, cành lá trên cây), cháy ngầm (cháy lớp tham bùn) Với mỗi một loại cháy rừng, mỗi một loại địa hình

thì có các công nghệ và thiết bị chữa cháy cho phù hợp

Theo tài liệu [6],[27],[28], [240], hiện nay các nước trên thế giới đang

sử dụng công nghệ chữa cháy rừng trực tiếp và gián tiếp như sau:

 Công nghệ chữa cháy rừng trực tiếp:

- Ngăn không cho ôxy tiếp xúc với vật cháy, kỹ thuật sử dụng phương pháp này là dùng hoá chất (bọt khí CO2), dùng đất cát phủ lên vật cháy, phương pháp này thích hợp ở giai đoạn đầu của quá trình cháy

- Hạ nhiệt độ của đám cháy xuống dưới điểm cháy, kỹ thuật sử dụng là dùng nước, không khí thu nhiệt của đám cháy để hạ nhiệt độ của đám cháy xuống dưới điểm cháy thì đám cháy bị dập tắt

 Công nghệ chữa cháy rừng gián tiếp

Cách ly vật liệu cháy: mục đích của phương pháp này là cách ly triệt để giữa vật liệu đã cháy với vật liệu chưa cháy để cho đám cháy không cháy lan ra xung quanh Kỹ thuật thực hiện phương pháp này là làm các băng trắng hoặc phun nước, hoá chất làm cho vật liệu cháy khó cháy hoặc không cháy được

Căn cứ vào địa hình, loại rừng, loại thực bì, tác nhân chữa cháy, phương pháp dập lửa, điều kiện kinh tế của các nước khác nhau mà áp dụng các công nghệ và thiết bị chữa cháy khác nhau [32, [33], [44] Hầu hết các nước trên thế giới việc chữa cháy rừng do lực lượng cứu hoả chuyên nghiệp đảm nhận,

có trang thiết bị chuyên dụng, được đào tạo về công nghệ, kỹ thuật và chiến thuật chữa cháy rừng

Một số nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Canađa, Nhật, Trung Quốc…Có nhiều công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng và chúng

đã được ứng dụng có hiệu quả trong công tác chữa cháy rừng [35], [37]

Thiết bị chữa cháy rừng ở Mỹ chủ yếu là máy bay và xe ôtô chữa cháy Khi phát hiện có đám cháy thì chỉ sau 30 phút, các thiết bị chữa cháy rừng có

thể tiếp cận và tiến hành dập lửa [37], [38] Các thiết bị chữa cháy ở Mỹ chủ yếu sử dụng chất chữa cháy là nước hoặc hóa chất

Hình 1.1: Máy bay chữa cháy rừng Theo tài liệu [42], [43], [44]; một số nước như Trung Quốc, Mỹ đã nghiên cứu xe chữa cháy rừng chuyên dụng với chất chữa cháy rừng là nước

Xe cơ sở để thiết kế xe chữa cháy chuyên dụng là xe bánh xích…

Hình 1.2: Xe chuyên dụng chữa cháy rừng ở Trung Quốc

Một số nước phát triển chủ yếu sử dụng xe cứu hỏa để chữa cháy Loại thiết bị này có nhiều hạn chế: khó di chuyển ở điều kiện địa hình dốc, mặt khác chất chữa cháy là nước nên rất khó thực hiện…

Ở Thái Lan đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng xe chữa cháy rừng với nguồn động lực là máy kéo, chất chữa cháy là nước Loại thiết bị này có thể

di chuyển trong khu vực rừng với điều kiện địa hình cho phép, song chất chữa cháy rừng là nước nên bị hạn chế rất nhiều

Hình 1.3: Máy kéo chuyên dụng chữa cháy rừng của Thái Lan

Theo tài liệu [44], Nga đã sử dụng máy ủi để làm băng trắng cách ly, khoanh vùng cô lập đám cháy Kết quả nghiên cứu đã tạo ra được thiết bị có khả năng khoanh vùng, cô lập đám cháy

Hình 1.4: Máy đào rãnh tạo băng cách ly cản lửa của Nga

Các nước đang phát triển như Inđônêxia, Philippin, Malaysia, chủ yếu tập trung nghiên cứu các thiết bị chữa cháy rừng cầm tay Theo tài liệu [32], ở Inđônêxia đã có một số công trình nghiên cứu là vỉ dập lửa thủ công, bình bơm nước đeo vai, kết quả nghiên cứu đã tạo ra được vỉ dập lửa thủ công với

bộ phận dập lửa bằng thép lá

Một số cơ sở chữa cháy rừng ở Thái Lan đã sử dụng máy cày với dàn cày chảo để làm băng cách ly đám cháy, thiết bị này sử dụng có hiệu quả ở những nơi có địa hình bằng phẳng, rừng trồng và rừng thâm canh, nhược điểm của thiết bị này là không hoạt động được ở rừng tự nhiên, thực bì có nhiều gốc cây, cành cây, đá mồi côi

Hình 1.5 Máy cày sử dụng làm băng cách ly cản lửa của Thái Lan

Tóm lại: Đã có nhiều công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng trên

thế giới và đạt được nhiều thành tựu Kết quả đã nghiên cứu đã tạo ra các thiết bị chữa cháy rừng Song các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này chủ yếu tập trung nghiên cứu sử dụng chất chữa cháy là nước và hóa chất Các công trình nghiên cứu về làm băng cách ly đám cháy còn hạn chế

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu các thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam

Khí hậu Việt Nam là khí hậu Nhiệt đới gió mùa Lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới, đồng thời nằm ở rìa phía đông nam của phần châu Á lục địa, giáp với biển Đông, nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của kiểu khí hậu gió mùa mậu dịch, thường thổi ở các vùng vĩ độ thấp Khí hậu phân thành hai mùa rõ rệt, mùa khô kéo dài 3 - 4 tháng Hiện nay chúng ta có khoảng 1 triệu người sống du canh du cư đốt nương làm rẫy, nên hàng năm đã xảy ra

hàng nghìn vụ cháy rừng gây thiệt hại khoảng 9.000 ha, đặc biệt là vụ cháy rừng Tràm ở vườn quốc gia U Minh Thượng năm 2002 làm thiệt hại khoảng 5.500 ha rừng, gây ra thiệt hại rất lớn về kinh tế, môi trường; chỉ tính riêng chi phí cho công tác chữa cháy đã lên đến 8 tỷ đồng

Cháy rừng làm thiệt hại rất lớn về kinh tế, tác động rất xấu đến môi trường, tạo ra tâm lí không an tâm cho các nhà đầu tư sản xuất kinh doanh lâm nghiệp trong và ngoài nước Nhận thức rõ tác hại của cháy rừng gây ra, Chính phủ, các bộ, ban ngành, các tỉnh thành phố và các địa phương đã có nhiều văn bản pháp qui về phòng chống và chữa cháy rừng như: Thông báo số 129-TB/TW ngày 22/4/1998 của Thường vụ Bộ Chính trị, Nghị định 22/CP; Chỉ thị 19/TTg; 177/TTg của Thủ Tướng Chính Phủ [1]

Quyết định 02/QĐ-TTg Ngày 2 tháng 1 năm 2007 của Thủ Tướng chính phủ về phê duyệt Đề án " Nâng cao năng lực phòng cháy chữa cháy rừng cho lực lượng kiểm lâm" giai đoạn 2007 - 2010, tổng vốn đầu tư cho đề án là 502 tỷ đồng, trong đó 50% kinh phí đầu tư cho thiết bị chữa cháy rừng Một nội dung quan trọng của đề án là nghiên cứu phương tiện và thiết bị phòng cháy, chữa cháy rừng tiên tiến phù hợp với điều kiện tự nhiên của từng vùng

Trong những năm qua đã có một số công trình nghiên cứu về phòng cháy

và chữa cháy rừng Hầu hết các công trình chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các giải pháp phòng chống cháy, dự báo cháy rừng, còn nghiên cứu về công nghệ chữa cháy rừng, các thiết bị chữa cháy chuyên dụng còn hạn chế

Chính phủ đã thành lập Ban phòng chống và chữa cháy rừng từ Trung ương đến địa phương, hàng năm có tập huấn, diễn tập, nhưng số vụ cháy và diện tích rừng bị cháy không giảm được nhiều Nguyên nhân có nhiều nhưng một nguyên nhân quan trọng đó là thiếu các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng Đối với những vụ cháy rừng khi mới phát hiện nếu có thiết bị chuyên dụng chữa cháy thì hoàn toàn có thể dập tắt được dẫn đến giảm được diện tích rừng bị cháy

Năm 1985, Cục kiểm lâm đã chủ trì đề tài cấp Nhà nước số 04.01.01.07 [7],

về các biện pháp phòng cháy chữa cháy rừng Thông và rừng Tràm Kết quả của đề tài đã đưa ra một số giải pháp phòng chống cháy rừng Thông và rừng Tràm

Tác giả Phan Thanh Ngọ trong công trình “Nghiên cứu một số biện pháp phòng cháy, chữa cháy rừng Thông ba lá, rừng Tràm ở Việt Nam” [16],

đã nghiên cứu tạo ra được bình bơm nước đeo vai để chữa cháy rừng, thiết bị này đã được Cục sở hữu công nghiệp cấp giấy chứng nhận kiểu dáng công nghiệp, hiện nay đang được một số đơn vị sử dụng

Một số cơ sở sản xuất kinh doanh rừng, một số trung tâm bảo vệ rừng, một

số vườn quốc gia đã tự nghiên cứu, tự thiết kế chế tạo và nhập về một số máy và thiết bị chữa cháy rừng, nhưng các thiết bị này sử dụng không có hiệu quả, năng suất và khả năng dập lửa thấp, không phù hợp với địa hình và thực bì rừng bị cháy

Năm 2002 sau vụ cháy rừng U Minh một nhóm tác giả ở thành phố Hồ Chí Minh đã đề xuất giải pháp phòng chống và chữa cháy rừng tràm U Minh bằng

"Hệ thống phun mưa quay", giá thành của hệ thống này theo đề xuất khoảng 250 -

400 tỷ đồng cho 10.000 ha,song nhóm tác giả chưa chứng minh được tính ưu việt

về kinh tế - xã hội và sinh thái nên giải pháp này không được chấp nhận

Ở thành phố Hồ Chí Minh ông Nguyễn Văn Thanh đã tìm ra bột chữa cháy rừng, giá thành khoảng 5.000 đồng/kg, song chưa tiến hành khảo nghiệm

để chữa cháy rừng ngoài thực tế nên chưa đánh giá được hiệu quả của nó

Công ty cơ khí ôtô xe máy Thanh Xuân cải tiến từ xe UAZ, xe tải IZUZU , thiết bị này bao gồm hệ thống téc nước, bơm nước đặt trên thùng xe Khi có đám cháy xảy ra xe sẽ dùng hệ thống bơm nước từ téc nước để chữa cháy Nhược điểm của thiết bị này là không tiếp cận được với những đám cháy ở vùng sâu vùng xa, nơi không có đường giao thông

Hình 1.6: Xe chữa cháy được cải tiến từ xe Uoát Khu Công nghiệp Biên Hòa, Đồng Nai công ty cơ khí Vinapro đã thiết kế, chế tạo thiết bị chữa cháy gồm hệ thống bơm, téc nước, ống dẫn nước, nguồn động lực là

xe công nông, thiết bị này chế tạo ra không sử dụng được vì khả năng di chuyển và ổn định của xe thấp nên không hoạt động được ở điều kiện địa hình rừng không có đường

PGS.TS Vương Văn Quỳnh, Trường Đại học Lâm Nghiệp từ năm 2003 đến năm

2005 đã chủ trì đề tài nghiên cứu cấp nhà nước: “Nghiên cứu, xây dựng các giải pháp phòng chống và khắc phục hậu quả cháy rừng cho vùng U Minh và Tây Nguyên” [18]

Kết quả của đề tài đã xây dựng được các giải pháp phòng chống và khắc phục hậu quả do cháy rừng, công trình cũng chưa nghiên cứu sâu về các thiết bị chữa cháy rừng

Trong công trình nghiên cứu [25], tác giả Lê Đình Thơm, đã nghiên cứu hiệu quả dập lửa của một số loại dụng cụ thủ công chữa cháy cho rừng trồng ở tỉnh Quảng Trị, kết quả nghiên cứu đã xác định được năng suất và hiệu quả dập lửa bằng cành cây, vỉ dập lửa, bàn dập lửa

Một số hạt kiểm lâm đã sử dụng máy phát thực bì để làm băng cách ly đám cháy, song năng suất làm băng cách ly đám cháy rất thấp và không làm sạch được băng cách ly, nên thiết bị này cũng không được sử dụng trong thực tế chữa cháy rừng hiện nay

Luận văn thạc sỹ của tác giả Giang Quốc Nam [17], đã nghiên cứu máy chữa cháy rừng bằng sức gió, kết quả của đề tài đã xây dựng được cơ sở lý thuyết cho quá trình tính toán thiết kế máy chữa cháy rừng bằng sức gió

Luận văn thạc sỹ của tác giả Vũ Văn Tuân [26], đã xây dựng được cơ

sở lý thuyết cho quá trình tính toán thiết kế hệ thống cắt đất, hút đất trên xe chữa cháy rừng đa năng, đề tài chưa đề cập đến hệ thống làm băng cách ly đám cháy

Luận văn thạc sỹ của tác giả Hoàng Hà [12], đã xây dựng được cơ sở lý thuyết cho việc tính toán khả năng di động của xe chữa cháy rừng đa năng, công trình chưa đề cập đến hệ thống làm băng cách ly đám cháy

Luận văn thác sỹ của Đặng Thị Tố Loan [14], đã thiết lập được phương trình vi phân dao động của một số hệ thống trên xe chữa cháy rừng đa năng,

đề tài chưa nghiên cứu hệ thống làm băng cách ly đám cháy

TS Dương Văn Tài, Trường Đại học Lâm nghiệp trong công trình

nghiên cứu: “Nghiên cứu khảo nghiệm và cải tiến các thiết bị chữa cháy rừng

sử dụng đất cát, không khí và nước ở dạng sương” [19], kết quả của đề tài đã

thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm máy phun đất cát và không khí để chữa cháy rừng Thiết bị này nhỏ gọn cầm tay có lưu lượng và khối lượng phun đất nhỏ,

di chuyển được trên địa hình dốc Song đề tài chỉ tập trung nghiên cứu phần thiết kế, chưa có nghiên cứu nguyên lý của hệ thống hút phun đất

Đề tài trọng điểm cấp nhà nước của tác giả Dương Văn Tài [20]:

“Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng”, kết quả của đề tài đã thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm xe chữa

cháy rừng đa năng Trên xe chữa cháy rừng đa năng có sử dụng hệ thống làm băng cách ly đám cháy để chữa cháy rừng Kết quả khảo nghiệm hệ thống làm băng cách ly đám cháy cho thấy năng suất và chất lượng làm băng cách ly đám cháy rất tốt Song kết quả của đề tài chưa nghiên cứu sâu về nguyên lý tính toán của hệ thống, chưa nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến hệ

thống, đồng thời cũng chưa nghiên cứu các thông số tối ưu của hệ thống làm băng cách ly đám cháy

Tóm lại: Cháy rừng vẫn đang được xem như một thảm họa và là

nguyên nhân chính làm giảm diện tích rừng ở Việt Nam Chính phủ, các cấp, các ngành và toàn xã hội luôn quan tâm Có một số công trình nghiên cứu về cháy rừng nhưng chủ yếu tập trung vào các giải pháp phòng cháy Còn các công trình nghiên cứu về thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng còn hạn chế; chủ yếu giải quyết khâu thiết kế, chế tạo, chưa nghiên cứu về động học, động lực học và các thông số tối ưu của hệ thống

Đề tài trọng điểm cấp nhà nước KC07.13/06-10, đã thiết kế chế tạo hệ thống làm băng cách ly đám cháy được sử dụng trên xe chữa cháy rừng đa năng Kết quả của đề tài chưa nghiên cứu sâu về nguyên lý, động học của hệthống cũng như nghiên cứu các thông số tối ưu của nó

1.4 Kết luận chương 1

Từ những nhận định được trình bày ở trên có thể đi đến một số kết luận sau:

- Việt Nam có một nguồn tài nguyên rừng phong phú, diện tích lớn Khí hậu chia thành hai mùa rõ rệt, mùa khô kéo dài 4-5 tháng Từ đó nguy cơ cháy rừng là rất cao, hàng năm vẫn sẩy ra hàng trăm vụ cháy rừng gây thiệt hại hàng nghàn ha rừng

- Hiện nay việc chữa cháy rừng chủ yếu là bằng thủ công nên năng suất và hiệu quả dập lửa thấp Đối với những nơi có địa hình phức tạp, xa nguồn nước thì việc sử dụng các thiết bị chữa cháy dùng chất chữa cháy là nước thì không phù hợp: do cháy rừng ở xa và vào mùa khô nên nguồn nước rất hạn chế

- Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo và đưa vào sử dụng hệ thống làm băng cách ly đám cháy để chữa cháy rừng là rất hiệu quả và phù hợp với điều kiện chữa cháy rừng nơi không có nguồn nước

- Các công trình nghiên cứu về hệ thống làm băng cách ly đám cháy để

khoanh vùng cô lập đám cháy còn hạn chế, mới chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế, chế tạo, chưa có nghiên cứu đầy đủ và toàn diện về hệ thống này

- Để có cơ sở lý thuyết cho quá trình hoàn thiện hệ thống làm băng cách ly đám cháy của xe chữa cháy rừng đa năng cũng như làm tài liệu tham khảo cho việc hoàn thiện xe chữa cháy rừng đa năng thì việc thực hiện đề

tài:“Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng”, mà luận văn lựa chọn là cần thiết

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Quá trình cắt cỏ rác, cắt đất để làm băng cách ly đám cháy được thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau, nhiều dạng khác nhau, như được trình bày ở phần phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này chỉ nghiên cứu hệ thống làm băng cách ly đám cháy đã được thiết kế chế tạo trên xe chữa cháy rừng đa năng Do vậy đối tượng nghiên cứu của đề tài có cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thông số

kĩ thuật như sau:

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xe chữa cháy rừng đa năng 2.1.1.1 Cấu tạo của xe chữa cháy rừng đa năng

Hình 2.1 Mô hình xe chữa cháy rừng đa năng

1- Hệ thống cắt cây; 2- Xi lanh nâng hạ hệ thống cắt cây; 3- Đĩa cưa cắt cây; 4-Khung để nâng hạ hệ thống cắt cây; 5- Giá đỡ lắp hệ thống chặt hạ cây; 6- Xe ô tô cơ sở; 7- Sàn xe; 8- Xi lanh nâng hạ hệ thống cắt đất; 9- Xi lanh nâng hạ hệ thống cắt cỏ rác; 10- Khung nâng hạ hệ thống cắt đất; 11- Buồng hút đất; 12- Hệ thống làm sạch cỏ rác; 13- Ống hút đất; 14- Ống nối để lắp ống phun đất; 15- Vòi phun nước; 16- Thùng chứa đất; 17- Hệ thống hút đất; 18- Thùng chứa nước; 19- Súng phun nước; 20- Thanh bảo hiểm cabin; 22- Nắp thùng nước; 23- Ống hút đất; 24- Hệ thống phun đất; 25- Bơm nước

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của xe chữa cháy rừng đa năng

Hệ thống chặt hạ cây, cắt cây bụi được lắp ở phía trước xe bằng khớp quay, nâng lên hạ xuống nhờ xi lanh thủy lực (2); đĩa cưa (3) quay được nhờ động cơ thủy lực, chuyển động tịnh tiến ra phía trước nhờ xi lanh thủy lực và

hệ thống ổ trượt, khi cắt cây xi lanh đẩy đĩa cưa ăn vào gỗ

Hệ thống làm sạch cỏ rác được lắp ở phía sau xe bằng khớp quay, chuyển động nâng lên hoặc hạ xuống của hệ thống được thực hiện nhờ xi lanh thủy lực (9); chuyển động quay của hệ thống cắt cỏ được thực hiện nhờ động

cơ thủy lực Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc cắt dạng búa

Hệ thống cắt đất được nâng lên hạ xuống nhờ xi lanh (8) và được lắp ở gầm xe; dao cắt đất của hệ thống hoạt động theo nguyên lý cắt đất ở dạng búa; buồng hút đất (11) nối với thùng chứa đất (16) Đất được dao cắt đất cắt tung lên buồng hút và được bơm hút lên theo đường ống đi vào thùng chứa (16) và rơi xuống ống thổi Bơm thổi (24) thổi đất đi ra ống (14), ống (14) lại được nối với ống phun nên đất được phun ra ống phun vào đám cháy

Bơm nước và thùng chứa nước được lắp trên sàn xe; bơm nước hút nước ở dưới ao hồ, sông suối vào trong thùng chứa nước Khi chữa cháy thì bơm nước hút nước ở trong thùng chứa đẩy ra ống bơm nước và được phun ra

từ súng phun

Khi đám cháy xảy ra, người lái xe nhanh chóng cho xe di chuyển đến nơi

có vị trí cháy, sử dụng hệ thống cắt cây phía trước, hệ thống lám sạch cỏ rác ở phía sau để làm băng trắng cách ly, cô lập và khoanh vùng đám cháy, hoặc sử

dụng hệ thống cắt đất - hút đất và phun đất vào đám cháy để dập tắt đám cháy Ngoài ra, còn có thể sử dụng hệ thống phun nước trên xe để dập lửa

Khi sử dụng hệ thống cắt cây, hệ thống làm sạch cỏ rác hoặc hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất thì người điều khiển hạ hệ thống đó xuống, khi không sử dụng thì điều khiển xi lanh thủy lực nâng hệ thống đó lên

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống làm băng cách ly đám cháy

hệ thống cắt cỏ rác quay Hệ thống cắt cỏ rác làm việc theo nguyên lý cắt đất

ở dạng búa Dao cắt (21) quay với tốc độ cao, dự trữ một động năng lớn nên

khi tiếp xúc với đất hoặc cỏ rác thì động năng biến thành công năng nhờ xung lực va chạm lớn Xung lực va chạm này tạo ra lực cắt, phá vỡ kết cấu của đất

và cắt đứt cỏ Đồng thời với quá trình cắt, cỏ rác được hất tung lên nhờ luồng không khí và lực văng tạo ra từ dao cắt Do vậy, cỏ rác sau khi cắt được hất tung lên và hòa trộn với đất cát Sau khi cắt tạo thành băng trắng sạch cỏ rác cách ly đám cháy

Ưu điểm của hệ thống làm băng cách ly đám cháy là: Khi gặp phải đá,

gốc cây, rễ cây thì dao cắt tự trượt quanh trục lắp dao cắt, nên động cơ không xảy ra hiện tượng quá tải Mặt khác, cỏ rác sau khi được cắt nhỏ vụn và trộn lẫn với đất tạo ra băng sạch cỏ rác và vật liệu cháy, từ đó quá trình cháy không thể cháy lan qua băng cách ly đám cháy này được Đây là ưu điểm lớn nhất của phương pháp làm băng cách ly đám cháy ở dạng búa được áp dụng để tính toán thiết kế cho xe chữa cháy rừng đa năng này Với phương pháp làm băng cách ly đám cháy ở dạng búa cho phép có thể làm băng được tất cả các loại rừng, các loại thực bì ở trong các khu rừng

2.1.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống làm sạch cỏ rác

Thông số kỹ thuật của hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng được ghi ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của hệ thống làm băng cách ly đám cháy

2.1.4 Những vấn đề cần phải nghiên cứu giải quyết của hệ thống làm băng cách ly đám cháy

Đề tài đã lựa chọn hệ thống làm băng cách ly đám cháy ở dạng búa, cắt

cỏ rác ở dạng này cho tiêu hao công hao công suất nhỏ Khi gặp đá, rễ cây thì động cơ vẫn không bị quá tải, dao cắt không bị cong hoặc hỏng (do dao cắt tự trượt quanh trục lắp dao) Cỏ rác sau khi được cắt nhỏ ra và trộn lẫn đất, do vậy hạn chế khả năng cháy của vật liệu, từ đó tạo ra băng cách ly đám cháy rất tốt Vấn đề cần giải quyết ở bài toán này là:

- Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt cỏ rác ở dạng búa

- Xác định các thông số của hệ thống cắt cỏ rác như đường kính đĩa thép, chiều dài dao cắt và vận tốc cắt, các thông số góc của dao cắt cỏ rác để năng suất cắt là lớn nhất, tiêu hao công suất là nhỏ nhất, chất lượng làm băng cách ly đám cháy tốt nhất

Tóm lại: Tất cả các vấn đề cần phải nghiên cứu giải quyết đã nêu ở

trên được tôi nghiên cứu giải quyết ở các chương tiếp theo của luận văn

2.1.5 Đối tượng hoạt động của hệ thống làm băng cách ly đám cháy

Hệ thống làm băng cách ly đám cháy trên xe chữa cháy rừng đa năng hoạt động ở những nơi có điều kiện địa hình độ dốc < 15 độ chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ Thực bì và vật liệu cháy mà hệ thống này

có thể làm băng cách ly đám cháy đó là: các loại cỏ khô, lá cây, cành cây, cây bụi, thảm mục và thảm tươi, đất có lẫn đá mồi côi, đất cứng sỏi đá

Do đặc điểm là ở nhiều khu vực khác nhau thì thực bì cũng khác nhau,

do vậy đề tài không có điều kiện nghiên cứu hết các loại thực bì và vật liệu cháy được mà chỉ nghiên cứu một loại thực bì đặc trưng ở khu vục Tây Nguyên nơi thường xuyên sẩy ra cháy rừng đó là Công Ty lâm nghiệp Đắc Tô tỉnh Kon Tum

Các thông số của thực bì và vật liệu cháy bao gồm: Cỏ lác, cỏ xước, cành cây khô, lá cây, cây bụi và thảm mục dày 20cm, đất cứng có lẫn đá Thực bì nghiên cứu được thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.3 Địa hình, thực bì và vật liệu cháy nơi đề tài nghiên cứu

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết được các nội dung và những vấn đề đã nêu trên Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng trong luận văn này là ứng dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết va chạm trong cơ học, lý thuyết Nội của phương pháp này có thể tóm tắt như sau:

Từ quá trình làm việc của thiết bị, lập ra sơ đồ động lực học của hệ thống

để tính toán, vận dụng lý thuyết va chạm để xác định lực cắt cỏ rác ở dạng búa, trên cơ sở các công thức lập được xác định tiêu hao công suất của động cơ, từ

đó khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đại lượng nghiên cứu để rút ra các kết luận cần thiết Nội dung của phương pháp này đã được trình bày trong các tài liệu [3], [10]

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Trong luận văn này chúng tôi đo tiêu hao công suất được thực hiện thông qua việc đo áp lực dầu trong động cơ thủy lực, đồng thời đo tiêu tiêu hao

công suất thông qua việc đo cường độ dòng điện Nội dung của phương pháp này cũng như việc xử lý số liệu thí nghiệm được trình bày trong tài liệu [9]

Việc tổ chức và tiến hành thí nghiệm để xác vận tốc của trống phay, xác định tiêu hao công suất của động cơ, cũng như xác định các thông số tối ưu của

hệ thống làm băng cách ly đám cháy được tiến hành theo phương pháp thống kê toán học và phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm Việc lập kế hoạch, tổ chức thực nghiệm cũng như xử lý các số liệu thí nghiệm được trình bày cụ thể trong các tài liệu [5], [11], [13], [21] Ở đây tôi chỉ trình bày việc áp dụng các kết luận

đó vào bài toán cụ thể của luận văn

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÀM BĂNG CÁCH LY

ĐÁM CHÁY TRÊN XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG

Để có cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc tính toán thiết kế, hoàn thiện hệ thống làm băng cách ly đám cháy thì trước hết phải: xây dựng mô hình toán, trên cơ sở đó phân tích quá trình làm việc, xác định các yếu tố ảnh hưởng, từ

đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc tính toán hệ thống

Mục đích của chương này là xây dựng cơ sở lý thuyết cho quá trình cắt

cỏ rác ở dạng búa, quá trình làm băng cách ly đám cháy; cụ thể là thiết lập công thức tính toán lực cắt cỏ rác, công suất động cơ của hệ thống làm băng cách ly đám cháy

Phương pháp chung để nghiên cứu các nội dung này là dựa vào lý thuyết va chạm trong cơ học, nguyên lý phay cỏ rác, từ mô hình tính toán thiết lập công thức tính lực cắt Sau đó khảo sát các biểu thức lập được, để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến các đại lượng nghiên cứu

3.1 Đặc điểm và yêu cầu của quá trình làm băng cách ly đám cháy

Làm băng cách ly đám cháy để khoanh vùng cô lập đám cháy có đặc điểm như sau:

- Cháy rừng xẩy ra ở nơi có điều kiện địa hình phức tạp, không có đường, thực bì phức tạp nhiều chướng ngại vật, nên điều kiện hoạt động của

hệ thống làm băng cách ly đám cháy là rất phức tạp, do vậy hệ thống làm băng cách ly đám cháy phải hoạt động được ở những điều kiện khó khăn, có như vậy thì nới đáp ứng được yêu cầu chữa cháy rừng;

- Tốc độ làm băng nhanh để nhanh chóng cách ly cô lập khoanh vùng không cho đám cháy cháy lan sang bên;

- Chiều rộng băng phải đảm bảo yêu cầu để đám cháy không cháy lan sang bên;

- Chất lượng băng cách ly phải đảm bảo để ngọn lửa không cháy lan được qua băng;

- Những đặc điểm và yêu cầu trên là căn cứ để tính toán thiết kế hệ

thống làm băng cách ly đám cháy

3.2 Nguyên lý cắt cỏ rác của hệ thống làm băng cách ly đám cháy

3.2.1 Sơ đồ cắt cỏ rác ở dạng búa

Sơ đồ cấu tạo hệ thống cắt cỏ rác ở dạng búa chúng tôi cũng thực hiện

tương tự như cắt đất ở dạng búa Cấu tạo hệ thống cắt rất đơn giản bao gồm một đĩa thép có đường kính là D (trống dao) để lắp dao cắt Đĩa thép lắp trên một trục, trục nhận chuyển động quay từ động cơ qua bộ truyền hoặc nối trực tiếp Trên đĩa thép có gắn trục để lắp dao cắt, có thể lắp 2, 4, 6 dao cắt tuỳ theo Dao cắt chuyển động tương đối xung quanh điểm O1 Trên đĩa thép có lắp lưỡi cắt có các thông số: α - góc sau; β - góc mài; - góc cắt

Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống cắt cỏ rác dạng búa

1 Đĩa thép 2 Dao cắt 3 Lưỡi dao cắt

(b)



o 1

(a)

Hình 3.2: Nguyên lý cắt cỏ rác dạng búa

- Giai đoạn 1: Dao cắt chuyển động ở trên không chưa tiếp xúc với cỏ rác; do lực ly tâm nên phương của dao cắt trùng với đường kính đi qua hai trục lắp dao Dao cắt chuyển động quanh điểm 0, với số vòng quay n, vận tốc góc , dao cắt dự trữ một động năng lớn (hình 3.1)

- Giai đoạn 2: Dao cắt tiếp xúc với cỏ rác (cắt cỏ rác) khi cho dao cắt tiếp xúc với cỏ rác với động năng lớn tại mũi dao xẩy ra xung lực va chạm lớn Với kết cấu mũi dao có độ sắc nhất định, thời gian va chạm ngắn nên lực cắt rất lớn, mũi dao sẽ cắm sâu vào đất (hình 3.2a)

- Giai đoạn 3: Cắt cỏ rác và đất: Sau khi lưỡi cắt va trạm với cỏ rác cắt đứt cỏ rác và cắm sâu vào trong đất Lúc này dao cắt quay tương đối xung quanh điểm 01 tâm 01 chuyển động theo đến điểm 02 Do vậy, dao cắt di chuyển theo, nhưng do mũi cắt cắm sâu xuống đất và do lực cản của đất, do khớp quay ở 02 nên mũi dao cắt đứng yên, thân dao cắt di chuyển Mô men quay tại 04, cánh tay đòn chính là chiều dài dao cắt, lực tạo ra mô men là lực F

do đĩa thép tạo ra, lực này có tác dụng bẩy thỏi đất đã cắt ra khỏi nền đất Quá trình bẩy đất được thể hiện ở hình 3.2a (quá trình cắt và bẩy đất tương tự như cuốc đất bằng thủ công)

- Giai đoạn 4: Kéo đất và cỏ rác Khi điểm 02 di chuyển đến 03 theo quan

hệ động học thì dao cắt chuyển động tịnh tiến, trong quá trình chuyển động dao

S A

cắt kéo theo lượng đất và cỏ rác vừa tạo ra Như vậy, đất và cỏ rác sau khi cắt

ra được đưa lên miệng hố (hình 3.2b)

- Giai đoạn 5: Tung đất và cỏ rác Sau khi kéo đất và cỏ rác ra khỏi chỗ cắt một số đất và cỏ rác nằm ở mặt trong của lưỡi cắt chuyển động cùng với lưỡi cắt đến một quỹ đạo nhất định thì đất và cỏ rác văng ra khỏi lưỡi cắt chuyển động theo quán tính và rơi xuống Như vậy là đất và cỏ rác được tung lên chuyển động quay cùng dao cắt với vận tốc lớn trộn với nhau Do vậy, trong quá trình cắt phải có bao che để chắn đất và cỏ rác không bắn vào người

sử dụng thiết bị

Nhận xét: Từ quá trình phân tích nguyên lý cắt đất dạng búa ở trên có

một số nhận xét sau:

- Lợi dụng được động năng của dao cắt tạo ra xung lực lớn để cắt đứt

cỏ rác và phá vỡ kết cấu của đất Từ đó chi phí năng lượng riêng cho quá trình cắt này là rất thấp, dẫn đến nguồn động lực không cần phải có công suất lớn, nên giảm trọng lượng của thiết bị và tăng năng suất của máy;

- Lợi dụng được cánh tay đòn của dao cắt để bẩy đất nên tốn rất ít lực Mặt khác cũng lợi dụng được ứng suất tách rất nhỏ của đất để tách thỏi đất ra khỏi nền đất (giai đoạn 3 bẩy và tách đất);

- Năng suất cắt của hệ thống phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ,

số dao lắp trên đĩa; càng nhiều dao thì năng suất càng lớn Để giảm công suất động cơ thì ta phải tính toán sao cho một thời điểm chỉ có một dao cắt làm việc;

- Khi gặp đá, gặp rễ cây, gốc cây thì lực cắt tăng lên đột ngột Nếu lực cắt do dao cắt tạo ra nhỏ hơn lực cản cắt thì dao cắt không cắm vào gốc cây, nhưng do dao cắt chuyển động quay quanh điểm 01 nên công suất công suất của động cơ không ảnh hưởng Đây là đặc điểm quan trọng của phương pháp cắt cỏ rác ở dạng búa, nó đã giải quyết được khó khăn lớn nhất trong việc làm băng cách ly đám cháy đó là thích hợp với các loại đất nhiều đá, nhiều gốc

cây, rễ cây Còn đối với các dạng cắt khác nếu gặp đá, gốc cây thì động cơ quá tải dẫn đến hỏng hệ thống cắt, hoặc hỏng động cơ;

- Cỏ rác và đất sau khi được cắt vụn nhỏ tung trộn lẫn với nhau làm cho

nó không có khả năng cháy, từ đó nó tạo ra băng cách ly cô lập khoanh vùng đám cháy, đây là đặc điểm quan trọng để áp dụng nguyên lý cắt dạng búa vào tính toán thiết kế hệ thống làm băng cách ly đám cháy

3.3 Động học và động lực học của dao cắt cỏ rác

3.3.1 Phương trình quỹ đạo của dao cắt cỏ rác

Xét sự làm việc của trống dao có bán kính R, quay với tốc độ góc  và kéo theo nguồn động lực với vận tốc vm

Trong quá trình làm việc tại một điểm bất kỳ trên lưỡi sẽ thực hiện một chuyển động phức tạp gồm: Chuyển động tịnh tiến theo ô tô và chuyển động quay quanh trục phay Nhưng ở đây chuyển động quay của bộ phận làm việc không phải do phản lực của đất gây ra mà do bộ phận làm việc nhận chuyển động cưỡng bức từ trục của động cơ thủy lực và các bộ truyền cơ khí

Theo tài liệu [15], để thành lập phương trình của quỹ đạo chuyển động của một điểm trên bộ phận làm việc, ta đặt trống dao vào hệ toạ độ xoy được thể hiện trên hình 3.3

Hình 3.3 – Quỹ đạo chuyển động của dao cắt cỏ rác

Dựa vào hình 3.3, ta xác định được tọa độ của điểm bất kỳ trên lưỡi

theo phương trình (3.1)

)) sin(

1 ( ) sin(

) cos(

.

t R

t R R y

t R

t V x

Vì: RaRsin0 nên

R

a R

a R Sin

RSin R

a  0 0    1 Điều kiện để có thể làm việc được là khi vào trong đất vận tốc lưỡi dao

phải cùng chiều với hướng quay của nó Giả sử lúc chạm đất vận tốc có

0 sin 0   0  





R

V R

R R

a R

(D=250mm), chiều sâu cắt đất (a = 70 mm) ta xác định được chỉ số động học

của bộ phận phát dọn cỏ rác trên băng cản lửa là:

125

a R

Mặt khác, theo yêu cầu công nghệ, tốc độ di chuyển của thiết bị khi làm băng cản lửa là vm = 15 (km/h) = 4,16 (m/s), từ công thức (3.6) ta tính được tốc độ góc quay cần thiết của trục trống dao

2 , 83 125

5 , 2 10 16 , 4

2 , 83

v   (3.7) Mặt khác, các vx, vy được xác định bằng cách đạo hàm riêng phương trình quỹ đạo dao cắt cỏ rác (3.2), ta có:

t cos R.

y v

t sin R.

v y

-m

3.3.3 Độ ăn sâu của dao cắt cỏ rác

Theo tài liệu [20], khoảng cách giữa hai điểm cắt vào cỏ rác và đất của hai dao cắt kế tiếp nhau lắp trên cùng một đĩa gọi là độ ăn sâu của dao cắt hình 3.4 Độ ăn sâu d sẽ xác định bề dầy lớp đất cắt được, độ tơi, hao phí năng lượng chi phí cho quá trình cắt Sz là chiều dài di chuyển của dao cắt

Hình 3.4 Sơ đồ xác định độ ăn sâu của dao cắt Gọi T là thời gian trống dao cắt quay một vòng, xác định theo công thức sau:



 2



T (3.10) Đoạn đường mà hệ thống cắt cỏ rác và thực bì đi được sau khoảng thời gian T là:

S

m

m Z

2 2

2

z

R

S Z  (3.12) Như vậy, chất lượng làm sạch cỏ rác trên bề mặt băng cản lửa phụ thuộc vào độ ăn sâu các dao cắt cỏ rác và đất Nếu độ ăn sâu lớn thì chất lượng làm sạch bề mặt càng cao Để có độ cung cấp SZ lớn khi R không đổi ta

có các phương án như sau:

- Chọn số lưỡi dao lớn nhất có thể, dựa vào kết cấu của đĩa lắp trống dao ta chọn z = 2 hoặc 4 dao

- Tăng chỉ số động học bằng cách giảm tốc độ của liên hợp nhỏ nhất có thể hoặc tăng số dao cắt trên trống dao

3.3.4 Quan hệ động học của qua trình cắt đất

Căn cứ vào nguyên lý cắt đã được trình bày ở trên chúng tôi thiết lập sơ

đồ động học của hệ thống cắt cỏ rác và được thể hiện trên hình 3.5 Trong quá trình cắt, dao thực hiện hai chuyển động:

- Chuyển động tương đối quay quanh điểm chốt O1 với góc θ1 (0

Hình 3.5: Sơ đồ động học của hệ thống cắt đất Theo tài liệu [3], quan hệ động của dao:

(c) (d)

Hình 3.6: Sơ đồ tính mô men động lượng

3.3.5 Quan hệ động lực học của quá trình cắt cỏ rác

Xét chuyển động của dao, tại thời điểm tiếp đất và quá trình va chạm tại điểm A đầu mũi dao hình 3.7 Theo tài liệu [3], và [20], gọi xung lượng va chạm tại mũi dao là SA, theo định luật biến thiên động lượng và mô men động lượng đối với dao cắt chuyển động quay điểm O ta có:

M - khối lượng của dao;

 1, 0 - vận tốc góc của dao trước và sau va chạm;

JO1 - mômen quán tính khối lượng dao đối với điểm O1

M01(SA)- mômen xung lực Vận tốc góc của dao trước lúc va chạm:   0 

Vận tốc góc của dao sau va chạm: 0

1

R l

Xét ảnh hưởng giữa cấu tạo của dao với xung lượng va chạm

 Với dao có khối lượng phân bố đều theo chiều dài:

0 2

0 0

3

;

5

6

0 0

16

;

6