Nghiên cứu dao động ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp

Mục tiêu của luận án Xây dựng mô hình và khảo sát dao động không gian của ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi chở gỗ rừng trồng trên đường lâm nghiệp để có thêm căn cứ khoa học cho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN HỒNG QUANG

NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG Ô TÔ TẢI SẢN XUẤT LẮP RÁP Ở VIỆT NAM KHI VẬN CHUYỂN GỖ

TRÊN ĐƯỜNG LÂM NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9.52.01.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Văn Bang

2 PGS TS Nguyễn Văn Quân

Hà Nội, 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Các số liệu, kết quả đưa ra trong Luận án là hoàn toàn trung thực

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Hồng Quang

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể các thầy hướng dẫn PGS TS Nguyễn Văn Bang và PGS TS Nguyễn Văn Quân đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn GS TS Vũ Đức Lập, TS Nguyễn Văn Bỉ, PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu đã giúp đỡ: Cung cấp các tài liệu và ý kiến quý báu cho Luận án Đồng thời tôi xin cám ơn các thầy ở các trường Đại học Lâm nghiệp, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Đại học Giao thông vận tải, Học Viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Bách khoa Hà Nội, các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi và tạo mọi điều kiện về phương tiện, vật chất để tôi hoàn thành Luận án Xin trân trọng cảm ơn Trung tâm Thí nghiệm Khoa Cơ điện và Công trình Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi tiến hành thí nghiệm phục vụ Luận án Xin trân trọng cám ơn Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Lâm nghiệp và các cơ quan tôi đã và đang công tác, người thân đã giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án

MỤC LỤC

Số trang TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu của luận án 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

4 Điểm mới của luận án 3

5 Cấu trúc của luận án 3

Chương số 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về khai thác, vận chuyển gỗ rừng trồng 4

1.1.1 Rừng trồng và quy cách gỗ rừng trồng 4

1.1.2 Công nghệ và thiết bị vận xuất, vận chuyển gỗ rừng trồng 5

1.1.3 Đặc điểm đường ô tô lâm nghiệp 9

1.2 Những nghiên cứu về biên dạng đường vận chuyển 11

1.3 Tổng quan về hệ thống treo của ô tô vận tải 18

1.4 Các công trình nghiên cứu về dao động ô tô 20

1.4.1 Các công trình nghiên cứu về dao động ô tô trên thế giới 20

1.4.2 Các công trình nghiên cứu về dao động ô tô ở Việt Nam 21

1.5 Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ôtô 24

1.5.1 Tần số dao động riêng 24

1.5.2 Gia tốc dao động 25

1.5.3 Chỉ tiêu về độ êm dịu 25

1.6 Các phương pháp cơ học trong nghiên cứu dao động ô tô 26

1.6.1 Phương pháp sử dụng nguyên lý D’Alambert 26

1.6.2 Phương pháp sử dụng phương trình Lagranger loại II 26

1.6.3 Phương pháp cơ học hệ nhiều vật 27

1.7 Các phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu dao động 27

1.7.1 Phần mềm Mathematica 28

1.7.4 Phần mềm Matlab & Simulink 28

1.8 Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu dao động 28

1.9 Xác định nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu 30

1.9.1 Nhiệm vụ của luận án 30

1.9.2 Phương pháp nghiên cứu 31

Chương số 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG Ô TÔ TẢI SẢN XUẤT LẮP RÁP Ở VIỆT NAM KHI VẬN CHUYỂN GỖ TRÊN ĐƯỜNG LÂM NGHIỆP 33

2.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.2 Một số giả thiết chung 34

2.3 Mô hình dao động khi coi khung xe cứng tuyệt đối, dao động ở hai cầu phụ thuộc nhau 35

2.3.1 Mô hình dao động 35

2.3.2 Thiết lập hệ phương trình vi phân dao động 37

2.4 Mô hình dao động khi kể đến xoắn khung, dao động ở hai cầu độc lập nhau 53

2.4.1 Thiết lập phương trình vi phân dao động của khối lượng được treo phân bố lên cầu trước và khối lượng không được treo cầu trước 56

2.4.2 Thiết lập phương trình vi phân dao động của khối lượng được treo phân bố lên cầu sau và khối lượng không được treo cầu sau 58

2.4.3 Phương trình liên hệ khi kể tới độ cứng xoắn của khung xe 60

Chương số 3 KHẢO SÁT DAO ĐỘNG Ô TÔ CHỞ GỖ 61

3.1 Xác định các thông số đầu vào cho việc giải bài toán lý thuyết 61

3.1.1 Xác định các thông số hình học của ô tô 61

3.1.2 Xác định mô men quán tính của xe đối với các trục 61

3.1.4 Xác định biên dạng mấp mô mặt đường lâm nghiệp 63

3.1.5 Xác định độ cứng chống xoắn của khung xe 63

3.2 Khảo sát dao động của ô tô chở gỗ 63

3.2.2 Khảo sát dao động của ô tô cho mô hình không gian, dao động của hai cầu độc lập nhau, kể đến xoắn khung 66

Chương số 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 77

4.1 Mục đích, đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 77

4.1.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 77

4.1.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 77

4.2 Thực nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho bài toán lý thuyết 77

4.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm để xác định đặc trưng mấp mô mặt đường lâm nghiệp 77

4.2.2 Thực nghiệm để xác định các thông số hình học của ô tô 80

4.2.3 Thực nghiệm để xác định mô men quán tính phần được treo của ô tô 82

4.2.4 Thực nghiệm để xác định độ cứng và hệ số cản 84

4.2.5 Thực nghiệm để xác định độ cứng xoắn của khung xe 87

4.3 Thí nghiệm để minh họa và minh chứng cho kết quả nghiên cứu lý thuyết 87

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA LUẬN ÁN 98

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký

t

Zk1, βk1 m, rad Dịch chuyển thẳng đứng và góc lắc ngang của khối lượng

được treo phân bố lên cầu trước

Zk2, βk2 m, rad Dịch chuyển thẳng đứng và góc lắc ngang của khối lượng

được treo phân bố lên cầu sau

Jk1 kgm2 Mô men quán tính của khối lượng được treo phân bố lên cầu

trước đối với trục đối xứng dọc

sau đối với trục đối xứng dọc

đối với trục đối xứng dọc

đối với trục đối xứng dọc

sau

DANH MỤC CÁC BẢNG

THỨ TỰ TÊN BẢNG SỐ TRANG

1.1 Quy cách gỗ nguyên liệu 4

1.2 Một số chỉ tiêu kỹ thuật của đường ô tô lâm nghiệp 10

3.1 Các thông số động lực học của ô tô chở gỗ 62

4.1 Góc nghiêng thân xe và góc xoắn khung xe lớn nhất 96

4.2 So sánh lý thuyết và thực nghiệm 96

DANH MỤC CÁC HÌNH THỨ TỰ TÊN HÌNH SỐ TRANG

1.1 Ô tô lâm nghiệp chuyên dụng chở gỗ dài 7

1.2 Ô tô lâm nghiệp chuyên dụng chở gỗ ngắn 7

1.3 Vận chuyển gỗ bằng xe REO 8

1.4 Xe ô tô tải cỡ nhỏ vận chuyển chuyển gỗ rừng trồng 8

1.5 Tuyến trục chính đường ô tô lâm nghiệp 9

1.6 Tuyến trục phụ đường ô tô lâm nghiệp 10

1.7 Làm trơn số liệu 13

1.8 Nhíp và vấu tì cao su 19

1.9 Cấu tạo bộ phận giảm chấn thường dùng trên ôtô tải 19

1.10 Mô hình dao động ô tô của Iasenco 20

1.11 Sơ đồ đo các đại lượng không điện bằng điện 30

2.1 Xe tải Thaco K165 2,4 tấn dùng chở gỗ rừng trồng 33

2.2 Mô hình dao động không gian của ô tô khi coi khung xe cứng tuyệt đối, dao động ở hai cầu phụ thuộc nhau 36

2.3 Mô hình dao động tương đương của xe trong mặt phẳng đối xứng dọc xOz 38

2.4 Mô hình dao động của xe trong mặt phẳng thẳng đứng ngang yOz cho cầu trước và cầu sau 40

2.5 Mô hình biến dạng của khung - sàn xe khi β k1 ≠ β k2 42

2.6 Mô hình dao động ô tô có kể đến xoắn khung, dao động hai cầu độc lập nhau 54 2.7 Mô hình dao động của khối lượng được treo phân bố lên cầu trước và khối lượng không được treo cầu trước 56

2.8 Mô hình dao động của khối lượng được treo phân bố lên cầu sau và khối lượng không được treo cầu sau 56

3.1 Chương trình khảo sát dao động ô tô chở gỗ, dao động hai cầu phụ thuộc nhau, chưa kể đến xoắn khung 64

3.2 Các dao động của xe khi gặp mấp mô đơn 64

3.3 Các dao động thẳng và dao động góc của xe khi đi trên đường có dạng hàm điều hòa 65

3.4 Các dao động thẳng đứng và dao động góc của xe khi bánh xe bên trái và bên phải gặp biên dạng đường hàm điều hòa nhưng có biên độ khác nhau, cùng tần số nhưng lệch pha 66

3.5 Chương trình khảo sát dao động ô tô có kể đến xoắn khung, dao động hai cầu

độc lập nhau 67

3.6 Biên dạng mặt đường của bánh xe trước bên trái 67

3.7 Dịch chuyển thẳng đứng của thân xe tại trọng tâm 67

3.8 Góc lắc ngang của thân xe tại trọng tâm 67

3.9 Dịch chuyển của khối lương không đươc treo cầu trươc 67

3.10 Dịch chuyển của khối lương không đươc treo cầu sau 68

3.11 Góc lắc ngang của khối lượng không được treo cầu trước 68

3.12 Góc lắc ngang của khối lượng không được treo cầu sau 68

3.13 Góc xoắn của khung xe 68

3.14 Lực tương tác giữa bánh xe trước bên trái và mặt đường 68

3.15 Lực tương tác giữa bánh xe trước bên phải và mặt đường 68

3.16 Lực tương tác giữa bánh xe sau bên trái và mặt đường 68

3.17 Lực tương tác giữa bánh xe sau bên phải và mặt đường 68

3.18 Biên dạng mặt đường của bánh xe trước bên trái và bánh xe sau bên phải 69 3.19 Dịch chuyển thân xe tại trọng tâm ô tô 69

3.20 Góc lắc ngang của trọng tâm ô tô 69

3.21 Dịch chuyển của khối lượng không được treo cầu trước 69

3.22 Dịch chuyển của khối lượng không được treo cầu sau 69

3.23 Góc lắc ngang của khối lượng không được treo cầu trước 70

3.24 Góc lắc ngang của khối lượng không được treo cầu sau 70

3.25 Góc xoắn của khung xe 70

3.26 Lực tương tác giữa bánh xe trước bên trái và mặt đường 70

3.27 Lực tương tác giữa bánh xe trước bên phải và mặt đường 70

3.28 Lực tương tác giữa bánh xe sau bên trái và mặt đường 70

3.29 Lực tương tác giữa bánh xe sau bên phải và mặt đường 70

3.30 Biên dạng mặt đường 71

3.31 Biên dạng mặt đường của bánh xe trước bên trái và bánh xe sau bên trái 73 3.32 Gia tốc thẳng đứng của thân xe tại trọng tâm 73

3.33 Gia tốc lắc ngang của thân xe tại trọng tâm 73

3.34 Dịch chuyển thân xe tại trọng tâm ô tô 73

3.35 Góc lắc ngang của trọng tâm ô tô 73

3.36 Dịch chuyển của khối lượng không được treo cầu trước 74

3.37 Dịch chuyển của khối lượng không được treo cầu sau 74

3.42 Góc lắc ngang của khối lượng không được treo cầu trước 74

3.43 Góc lắc ngang của khối lượng không được treo cầu sau 74

3.44 Góc xoắn của khung xe 75

3.45 Lực tương tác giữa bánh xe trước bên trái và mặt đường 75

3.46 Lực tương tác giữa bánh xe trước bên phải và mặt đường 75

3.47 Lực tương tác giữa bánh xe sau bên trái và mặt đường 75

3.48 Lực tương tác giữa bánh xe sau bên phải và mặt đường 75

4.1 Bánh xe lăn và cảm biến đo gia tốc 77

4.2 Chương trình xử lý kết quả đo mấp mô mặt đường 78

4.3 Gia tốc dao động thẳng đứng đo được ở trục bánh xe thú 5 78

4.4 Biến dạng mấp mô mặt đường 78

4.5 Thí nghiệm xác định tọa độ trọng tâm theo chiều dọc 80

4.6 Thí nghiệm xác định tọa độ trọng tâm theo chiều ngang 81

4.7 Thí nghiệm để xác định tọa độ trọng tâm theo chiều cao 82

4.8 Thí nghiệm để xác định mô men quán tính của phần được treo ô tô đối với trục Ox 83

4.9 Thí nghiệm để xác định mô men quán tinh của phần được treo ô tô 83

4.10 Đo độ cứng của nhíp 84

4.11 Cảm biến đo lực và cảm biến đo chuyển dịch 84

4.12 Đo độ cứng và hệ số cản của lốp theo phương pháp tuyến 85

4.13 Cảm biến đo gia tốc .86

4.14 Cảm biến đo góc lắc 88

4.15 Cảm biến đo góc nghiêng ngang của khung ô tô 89

4.16 Ôtô thí nghiệm chở gỗ rừng trồng 89

4.17 Thí nghiệm ô tô chở gỗ trên đường lâm nghiệp 89

4.18 Bố trí cảm biến đo gia tốc và cảm biến đo góc nghiêng ngang 90

4.19 Bố trí cảm biến đo góc nghiêng khung xe .90

4.20 DMC Plus nối ghép máy tính 91

4.21 Gia tốc dao động thắng đứng của trọng tâm xe 91

4.22 Góc nghiêng ngang của thân xe 92

4.23 Góc xoắn của khung xe 92

4.24 Chương trình tính góc xoắn khung 92

4.25 Góc nghiêng ở mặt khung phía trước 92

4.26 Góc nghiêng ở mặt khung phía sau 93

4.27 Góc xoắn khung xe 93

4.28 Thí nghiệm đo xoắn khung xe khi xe trèo qua mấp mô đơn 94

4.29 Chương trình đọc và xử lý kết quả đo 94

4.30 Gia tốc thẳng đứng ở các điểm 94

4.31 Chuyển vị thẳng đứng ở các điểm 95

4.32 Góc nghiêng ngang của thân xe tại mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với phương chuyển động đi qua trọng tâm 95

4.33 Góc xoắn khung xe khi trèo qua mấp mô đơn 96

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Ô tô là phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, hiện đang được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kinh tế và đời sống Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngành công nghiệp ô tô trên thế giới nói chung, ở Việt Nam nói riêng đã và đang phát triển với yêu cầu ngày càng cao, ngành này đã cho ra đời nhiều loại ô tô hiện đại phục

vụ cho các nhu cầu vận chuyển Việc nghiên cứu đánh giá chất lượng làm việc

và hoàn thiện thêm thiết kế cho phù hợp với từng điều kiện sử dụng đang được quan tâm nghiên cứu

Các loại xe ô tô tải cỡ nhỏ và trung bình là các dòng xe vận tải thông dụng, thu hút nhiều cơ sở trong nước liên doanh với nước ngoài sản xuất lắp ráp

và đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta Trong ngành lâm nghiệp đã có rất nhiều công ty lâm nghiệp, hộ sản xuất kinh doanh rừng sử dụng loại xe này vào việc vận chuyển các sản phẩm từ rừng, đặc biệt là vận chuyển gỗ nhỏ rừng trồng Do xe có kích thước nhỏ, có thể đi được trên đường hẹp vào tận các khu rừng trồng, mặt khác gỗ rừng trồng nước ta khai thác chủ yếu làm nguyên liệu giấy, làm trụ mỏ, có kích thước không lớn, phân tán, trữ lượng thấp Vì vậy, việc

sử dụng các loại xe này tỏ ra phù hợp, không phải chi phí cho việc làm đường rộng vào các khu rừng trồng, giá mua các loại xe này không cao, phù hợp với nguồn vốn kinh doanh của các cơ sở sản xuất kinh doanh rừng

Vận chuyển gỗ là một khâu trong dây chuyền khai thác gỗ, được thực hiện bằng các phương tiện vận tải khác nhau Ở Việt Nam việc vận chuyển gỗ rừng tự nhiên trước đây được thực hiện nhờ các loại xe ô tô tải cỡ lớn, có khả năng di động cao Hiện nay khi rừng tự nhiên đã cạn kiệt, Chính phủ đã quyết định cấm khai thác rừng tự nhiên, đối tượng vận chuyển chủ yếu là gỗ nhỏ rừng trồng, nhiều cơ sở sản xuất sử dụng ô tô tải cỡ nhỏ hoặc trung bình cho việc vận chuyển gỗ rừng trồng, tùy thuộc vào quy mô sản xuất kinh doanh, địa hình khai thác Đường vận chuyển gỗ thường là đường cấp thấp, chất lượng mặt đường không cao, thường gặp mấp mô và có độ dốc lớn Khi vận chuyển gỗ trên đường

lâm nghiệp, xe bị rung xóc, làm giảm độ êm dịu chuyển động, sinh ra tải trọng động, gây hư hỏng một số chi tiết và phá hỏng mặt đường Khi chở gỗ trên đường lâm nghiệp khung xe bị xoắn nhiều hơn, ảnh hưởng đến dao động, lực động tác dụng lên mặt đường; những vấn đề này cần được nghiên cứu

Việc nghiên cứu đánh giá dao động của loại xe này khi vận chuyển gỗ rừng trồng trên đường lâm nghiệp ở nước ta trong thời gian qua chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, nghiên cứu sinh tiến hành Luận

án“Nghiên cứu dao động ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển

gỗ trên đường lâm nghiệp”

2 Mục tiêu của luận án

Xây dựng mô hình và khảo sát dao động không gian của ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi chở gỗ rừng trồng trên đường lâm nghiệp để có thêm căn

cứ khoa học cho việc nghiên cứu độ bền xoắn khung xe, hoàn thiện thêm kết cấu

bộ phận treo và chọn chế độ sử dụng hợp lý theo hướng nâng cao độ êm dịu chuyển động, độ bền khung xe, giảm tải trọng lên mặt đường khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Xây dựng mô hình không gian của ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển gỗ rừng trồng trên đường lâm nghiệp, có kể đến xoắn khung xe

và cản dao động của các bánh lốp, khảo sát dao động của xe; bằng thực nghiệm xác định được các thông số đầu vào cho bài toán dao động, xác định được các dao động thẳng đứng và dao động góc, góc xoắn khung xe khi chở gỗ trên đường lâm nghiệp, minh chứng cho mô hình lý thuyết; đánh giá ảnh hưởng của kết cấu và điều kiện đường sá đến dao động, góc xoắn khung xe, lực động tác dụng lên mặt đường Kết quả nghiên cứu của luận án có thêm căn cứ cho việc nghiên cứu độ bền xoắn khung xe, hoàn thiện thêm kết cấu để nâng cao độ bền,

độ êm dịu chuyển động, giảm tải trọng động tác dụng lên mặt đường, đồng thời phục vụ cho việc chọn chế độ sử dụng

4 Điểm mới của luận án

Xây dựng được mô hình không gian của ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển gỗ rừng trồng trên đường lâm nghiệp có kể đến xoắn khung xe và cản dao động của các bánh lốp, khảo sát dao động của xe trên miền thời gian và miền tần số; bằng thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho bài toán dao động, đo được các dao động thẳng đứng, dao động góc, góc xoắn khung xe khi chở gỗ trên đường lâm nghiệp với mấp mô mặt đường ngẫu nhiên,

đã minh chứng cho mô hình lý thuyết khi ô tô chở gỗ đi qua mấp mô đơn hình sin; đã thiết kế, chế tạo 03 cảm biến đo góc nghiêng và khung thí nghiệm đo độ cứng của nhíp, độ cứng và hệ số cản dao động của bánh lốp

5 Cấu trúc của luận án

Luận án có 108 trang bao gồm phần mở đầu (03 trang); Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (29 trang); Chương 2: Xây dựng mô hình dao động ô tô tải sản xuất lắp ráp ở Việt Nam khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp (28 trang); Chương 3: Khảo sát dao động ô tô chở gỗ (16 trang); Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm (21 trang); Kết luận và hướng phát triển (02 trang); Tài liệu tham khảo (54 tài liệu); Danh mục công trình đã công bố của luận án (04 công trình); 99 hình vẽ và đồ thị, 12 phụ lục

Chương số 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về khai thác, vận chuyển gỗ rừng trồng

1.1.1 Rừng trồng và quy cách gỗ rừng trồng

Hiện nay cả nước có khoảng 2 triệu ha rừng trồng Rừng trồng ở nước ta chủ yếu là rừng thuần loài với các loài cây trồng chủ yếu là các loại keo, bạch đàn, bồ đề, mỡ, thông và một số loài cây khác, chúng sinh trưởng nhanh, thân thẳng, ít cành nhánh Tuổi khai thác từ 5 - 7 năm cho đường kính 10 - 25 cm, chiều cao bình quân 10-15m; mật độ trung bình 700 - 1200 cây/1ha; sản lượng

dốc trung bình phổ biến từ 10 - 200, cá biệt có những nơi lên tới 45 - 500

Để đáp ứng nhu cầu về nguyên liệu cho công nghiệp chế biến gỗ, sản xuất giấy, xây dựng, khai thác than…, hàng năm ở nước ta cần khai thác trên 10 triệu

trồng làm nguyên liệu trình bày ở bảng 1.1 [25]

Bảng 1.1 Quy cách gỗ nguyên liệu

TT Chủng loại

Đường kính (cm)

bồ đề, keo, bạch đàn

phương tiện vận chuyển

bồ đề, keo, bạch đàn

Do chiều dài các khúc gỗ không lớn vì thế sự chênh lệch về đường kính giữa hai đầu khúc gỗ là không đáng kể Nghĩa là, gần đúng có thể coi trọng tâm khúc gỗ đặt tại điểm giữa khúc gỗ

1.1.2 Công nghệ và thiết bị vận xuất, vận chuyển gỗ rừng trồng [23]

- Loại hình công nghệ chủ yếu được áp dụng trong khai thác rừng trồng ở nước ta hiện nay là công nghệ khai thác gỗ ngắn, với 2 dạng: Vận xuất gỗ ngắn – Vận chuyển gỗ ngắn; Vận xuất gỗ dài – Vận chuyển gỗ ngắn

+ Vận xuất gỗ ngắn - Vận chuyển gỗ ngắn:

Cây sau khi hạ đổ được cắt cành, cắt khúc ngay tại gốc cây; sau đó, các khúc gỗ được vận xuất ra bãi gỗ tạm thời (hoặc kho gỗ I) rồi được vận chuyển

về kho gỗ II hoặc nơi tiêu thụ

Loại hình công nghệ này có ưu điểm là dễ áp dụng, phù hợp với những doanh nghiệp có vốn đầu tư không lớn, quy mô khai thác nhỏ, không tập trung, khối lượng ít Tuy nhiên, nó có nhược điểm là năng suất lao động thấp, tỷ lệ lợi dụng gỗ thấp

+ Vận xuất gỗ dài - Vận chuyển gỗ ngắn:

Cây sau khi hạ đổ người ta tiến hành cắt cành, ngọn rồi đưa cả thân cây dài ra bãi gỗ tạm thời (hoặc kho gỗ I) Tại đây, các thân cây được cắt khúc theo quy cách sản phẩm, sau đó được vận chuyển tới kho gỗ II hoặc nơi tiêu thụ

So với loại hình công nghệ trên, ở loại hình này do khâu cắt khúc được tiến hành tại bãi gỗ nên năng suất lao động cao hơn, tăng được tỷ lệ tận dụng gỗ, đồng thời cải thiện được điều kiện làm việc của công nhân Tuy nhiên, loại hình công nghệ này đòi hỏi phải có máy móc thiết bị vận xuất phù hợp

- Về thiết bị:

+ Khâu vận chuyển gỗ từ rừng về kho gỗ II hoặc nơi tiêu thụ có thể bằng

ô tô hoặc bằng đường thủy Trong đó, vận chuyển gỗ bằng ô tô là hình thức vận chuyển phổ biến nhất hiện nay vì có nhiều ưu điểm:

Ô tô là thiết bị vận tải thông dụng, sẵn có ở các địa phương trong cả nước

Hệ thống đường giao thông đường bộ từ thành phố lớn đến các vùng nguyên liệu, các khu tài nguyên rừng đã được cải tạo, mở mới và nâng cấp Xe ô tô có

thể len lỏi vào trong các khu khai thác để vận chuyển lâm sản với khối lượng vận chuyển đa dạng, khối lượng vận chuyển ít thì sử dụng xe có tải trọng nhỏ, khối lượng cần vận chuyển lớn thì sử dụng loại xe có tải trọng lớn, từ đó phù hợp với điều kiện khai thác nhỏ lẻ, phân tán qui mô hộ gia đình, qui mô tập trung của các công ty, các xí nghiệp

Tuy nhiên, vận chuyển gỗ bằng ô tô có các nhược điểm: Khối lượng vận chuyển phụ thuộc vào tải trọng của xe, đối với những nơi có điều kiện địa hình phức tạp thì khối lượng vận chuyển cho mỗi chuyến xe nhỏ, từ đó làm cho giá thành vận chuyển cao Để thu gom hết gỗ nằm dải rác trong khu tài nguyên cần phải mở thêm đường vận chuyển với chi phí rất lớn, từ đó ảnh hưởng đến giá thành vận chuyển lâm sản Đối với những khu tài nguyên rừng có điều kiện địa hình phức tạp, núi cao thì việc vận chuyển bằng ô tô gặp nhiều khó khăn

Xe ô tô vận chuyển lâm sản hoạt động trên đường ô tô lâm nghiệp cần có

có các đặc tính sau:

- Xe có khả năng di động cao, nhiều cầu chủ động để có thể đi được trên đoạn đường xấu có độ dốc cao

- Kích thước thùng xe phải đáp ứng được yêu cầu quy cách sản phẩm

- Xe vận chuyển lâm sản phải có hệ thống an toàn như cọc chắn, dây chằng…

- Công suất của xe đủ lớn để đáp ứng được yêu cầu về tải trọng hàng hóa lâm sản, lực kéo của xe khi xe lên dốc

Các xe ô tô chuyên dụng vận chuyển gỗ hiện nay rất đa dạng Yêu cầu trước hết đối với ô tô lâm nghiệp là phải có khả năng di động cao được đánh giá bằng số cầu chủ động Hiện nay người ta thường sử dụng xe vận tải gỗ có công thức bánh sử dụng như sau:

- Xe vận tải sử dụng 2 trục 4 bánh trong đó có hai bánh chủ động (kí hiệu

;

- Xe vận tải 3 cầu kéo theo sơmi rơ moóc 3 trục, trọng tải 35 - 40m3

Các loại ô tô vận tải kéo theo sơ mi rơ moóc thường được dùng để vận chuyển gỗ dài ở nước ngoài Loại này chỉ thích hợp với quy mô khai thác lớn, lượng gỗ tập trung và đặc biệt hệ thống đường vận chuyển phải đủ tiêu chuẩn để thiết bị chuyển động được an toàn (hình 1.1)

Hình 1.1 Ô tô lâm nghiệp chuyên dụng chở gỗ dài

Các loại xe vận tải 3 trục kéo theo rơ moóc 3 trục được rất phổ biến ở Thụy Điển, Phần Lan để vận chuyển gỗ ngắn rừng trồng (hình 1.2)

Hình 1.2 Ô tô lâm nghiệp chuyên dụng chở gỗ ngắn

Các loại ô tô vận tải không kéo rơ moóc thường thích hợp với quy mô sản xuất nhỏ, chất lượng đường vận chuyển ở mức độ trung bình

Ở Việt Nam, những năm 80 - 90 của thế kỷ XX, trong khai thác rừng tự nhiên, các loại xe do Liên Xô (cũ) và các nước xã hội chủ nghĩa chế tạo như ZIL -130, ZIL -157, MAZ -502, KRAZ – 214, Praga S5T, Praga V3s, Giải phóng , được sử dụng rất phổ biến để vận chuyển gỗ rừng tự nhiên

Đối với khu khai thác có địa hình không quá dốc và hệ thống đường tốt, như ở một số tỉnh phía Nam và Tây Nguyên trong khai thác gỗ lớn rừng tự nhiên, cây gỗ sau khi được hạ đổ, cắt khúc xong, người ta sử dụng các phương

tiện vận chuyển có khả năng tự bốc dỡ (kiểu xe REO) vào tận nơi chặt hạ để bốc gỗ rồi vận chuyển tới bãi II hoặc vận chuyển thẳng tới nơi tiêu thụ (hình 1.3)

Hình 1.3 Vận chuyển gỗ bằng xe REO

Ở vùng nguyên liệu giấy gồm 8 tỉnh phía Bắc, trước đây được sự tài trợ của chính phủ Thụy Điển, các xe vận tải nhãn hiệu Scania được sử dụng phổ biến để vận chuyển gỗ nguyên liệu giấy từ các lâm trường về nhà máy giấy Bãi Bằng Loại xe này phù hợp với điều kiện đường tốt và quy mô khai thác tập trung ở khu nguyên liệu giấy ở một số tỉnh phía Bắc nước ta Tuy nhiên, từ khi hết nguồn tài trợ của Thụy Điển, loại xe này ít dần do không nhập thêm và thiếu phụ tùng thay thế

Hiện nay ở nước ta, do quy mô sản xuất còn nhỏ lẻ, phân tán, cơ sở hạ tầng, dịch vụ kỹ thuật còn yếu kém, vốn đầu tư còn hạn chế nên mức độ cơ giới hóa trong sản xuất lâm nghiệp còn thấp Trong khâu vận chuyển gỗ rừng trồng người ta sử dụng các loại xe tải công dụng chung để vận chuyển gỗ Loại xe được dùng phổ biến nhất là xe tải sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam (hình 1.4)

Hình 1.4 Xe ô tô tải cỡ nhỏ vận chuyển chuyển gỗ rừng trồng

Sử dụng các loại xe tải cỡ vừa và nhỏ sản xuất lắp ráp ở Việt Nam vào việc vận chuyển gỗ rừng trồng tỏ ra phù hợp vì vốn đầu tư cho việc mua sắm phương tiện không lớn, không đòi hỏi làm đường rộng đến các vùng rừng trồng

Các loại xe này khá phù hợp, hiệu quả khi vận chuyển gỗ trên các tuyến trục chính, độ dốc không quá lớn Tuy nhiên do chất lượng mặt đường kém, xe bị dao dộng, sinh ra tải trọng động tác dụng lên các chi tiết, khung xe bị xoắn nhiều hơn thường sinh ra các vết nứt

1.1.3 Đặc điểm đường ô tô lâm nghiệp

Đường ô tô lâm nghiệp có các đặc điểm sau [23], [39b]:

- Để khai thác, vận chuyển gỗ trên khu rừng trồng tập trung, đường ô tô lâm nghiệp được xây dựng thành một mạng lưới gồm: Đường trục chính, đường trục phụ và đường nhánh

Đường trục chính phục vụ khai thác, vận chuyển gỗ cho một hoặc vài công ty, xí nghiệp, được bố trí hai làn xe chạy, nối với đường giao thông công cộng; chất lượng nền đường, mặt đường và các công trình vượt dòng trên tuyến trục chính được xây dựng khá tốt (hình 1.5) Ngoài phục vụ việc vận chuyển lâm sản, tuyến trục chính còn phục vụ công tác trồng rừng, chăm sóc, quản lý bảo vệ rừng và phục vụ nhu cầu dân sinh, phát triển kinh tế xã hội của địa phương

Hình 1.5 Tuyến trục chính đường ô tô lâm nghiệp

Tuyến trục phụ dùng để vận chuyển gỗ cho một vài khu khai thác, còn đường nhánh chỉ phục vụ cho việc khai thác ở một vài lô, khoảnh Tuyến trục phụ và đường nhánh thường chỉ bố trí một làn xe Sau khai thác, tuyến trục phụ

và đường nhánh thường được đóng lại, không sử dụng Do thời gian phục vụ ngắn nên người ta xây dựng nền đường, mặt đường và các công trình vượt dòng với chất lượng không cao, có tính tạm thời để giảm chi phí đầu tư xây dựng đường (hình 1.6)

Hình 1.6 Tuyến trục phụ đường ô tô lâm nghiệp

- Đường ô tô lâm nghiệp là loại đường có tải một chiều Chiều có tải là chiều từ phía rừng đi ra, chiều ngược lại thường là xe chạy không tải Do vậy, để giảm khối lượng đào đắp, giảm chi phí xây dựng đường người ta thiết kế độ dốc của đường chiều không tải lớn hơn chiều có tải

- Đường ô tô lâm nghiệp thường được xây dựng ở miền núi, địa hình phức tạp nên đường có nhiều đoạn cong với bán kính nhỏ, độ dốc lớn; tầm nhìn bị hạn chế bởi cây cối, mái ta luy; mặt đường chủ yếu là mặt đường đất, lại trong điều

kiện độ ẩm thường xuyên lớn nên chóng hư hỏng

- So với đường giao thông công cộng, đường ô tô lâm nghiệp có bề rộng nhỏ, chất lượng mặt đường thấp, độ dốc lớn, độ ẩm của tuyến đường đi qua cao, tốc độ xe, mật độ xe chạy thấp Một số chỉ tiêu kỹ thuật của đường ô tô lâm nghiệp trình bày ở bảng 1.2 [23], [39b]

Bảng 1.2 Một số chỉ tiêu kỹ thuật của đường ô tô lâm nghiệp

Bề rộng mặt đường (m)

Bề rộng nền đường (m)

1.2 Những nghiên cứu về biên dạng đường vận chuyển

Mấp mô mặt đường là yếu tố quan trọng gây nên dao động cho ô tô Để nghiên cứu dao động ô tô người ta thường phải nghiên cứu đặc trưng mấp mô biên dạng của đường trên đó ô tô chuyển động Có hai phương pháp chính được

áp dụng để đo ghi mấp mô biên dạng đường là phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp:

- Phương pháp trực tiếp là tiến hành đo ghi chiều cao mấp mô biên dạng đường theo chiều dài đường [19]

- Phương pháp gián tiếp là đo ghi các thông số dao động của ô tô như một

hệ động lực với các tham số cấu trúc cho trước khi chuyển động trên đường không bằng phẳng Sau đó tiến hành tính toán dựng lại xác định mấp nhô của đoạn đường đã đi

Cả hai phương pháp đều có thể cho các kết quả ở dạng liên tục hoặc rời rạc Các kết quả đo phản ánh gần như thực tế ảnh hưởng qua lại của bánh xe với nền đường và sau đó có thể xử lý trên máy tính bằng các phần mềm xử lý số liệu thống kê

Bản chất của phương pháp đo gián tiếp là xây dựng một hàm lọc biến đổi

có thể nhận được lại mô tả mấp mô biên dạng mặt đường từ các số liệu ghi được

là thông số dao động của ôtô thử nghiệm bằng phép biến đổi Fourie đơn giản

tốc đo được bằng các cảm biến

Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị đo mấp mô mặt đường khác nhau, từ thiết bị đơn giản như thước dài cho đến các thiết bị hiện đại như thiết bị đo chuyên dụng có các đầu đọc laser sử dụng các phần mềm hiện đại để truy nhập

và xử lý số liệu Các thiết bị đo có thể chia thành 2 nhóm chính sau:

- Nhóm thứ nhất là các thiết bị đo mặt cắt dọc;

- Nhóm thứ hai là các thiết bị đo theo kiểu phản ứng

Loại thiết bị đo mặt cắt dọc gồm các thiết bị có khả năng đo tĩnh, tốc độ

đo thấp hoặc thiết bị đo động với tốc độ đo khá cao nhằm xác định chính xác mặt cắt dọc của đường tương ứng với vệt bánh xe khi đo

Loại thiết bị đo mặt cắt dọc kiểu tĩnh phổ biến hiện nay có TRL Profiler Beam (Anh) và Dipstick (Mỹ) là loại thiết bị đo có độ chính xác cao, có phần mềm tính toán các đặc trưng bằng phẳng thông qua chỉ số IRI, được sử dụng với mục đích định chuẩn các loại thiết bị khác

Trong số các thiết bị đo mặt cắt dọc kiểu động phải kể đến các hệ thống thiết bị lắp trên xe, có đầu đọc laser là loại thiết bị đo được chính xác mặt cắt dọc của đường với tốc độ xe cao (đến 120 km/h), có kèm theo chương trình tính toán xử lý số liệu với các mục đích khác nhau

Cảm biến đo chiều cao sẽ đo các khoảng cách từ gia tốc kế đến mặt đường, thông thường là các cảm biến không tiếp xúc như: Cảm biến laser, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm

Loại thiết bị đo độ mấp mô theo kiểu phản ứng:

Bao gồm các loại xe đo có khả năng đo được sự dịch chuyển thẳng đứng tương đối giữa thân xe và trục bánh xe trên cơ sở phản ứng của xe có gắn thiết bị

đo với sự không bằng phẳng của mặt đường khi xe chuyển động trên đường Các

số liệu xóc cộng dồn khi xe chạy được ghi lại trên các tệp tin lưu trữ trên máy tính

Điển hình của loại thiết bị đo nhóm này có thể kể đến: Tolehkomer (Nga), Mays Ride (Mỹ), TRL Bump Intergrator Unit (Anh) Hiện nay ở Việt Nam có nhập và sử dụng một số thiết bị đo mấp mô biên dạng đường kiểu phản ứng như các hệ thống ROMDAS Mặc dù loại thiết bị này có tốc độ đo cao, nhưng có nhược điểm là: mỗi loại thiết bị thường có các thang độ đo khác nhau, phụ thuộc nhiều vào thuộc tính động lực của các loại xe khác nhau và không ổn định với thời gian, nên hiện nay chúng ít được sử dụng

Hệ thống ARRB Laser Profiler là một hệ thống thuộc nhóm thứ nhất, hiện

có và đang được sử dụng trong một số dự án đường giao thông ở Việt Nam

Để có thể sử dụng kết quả đo đạc được từ thực tế để đưa vào mô hình tính toán dao động ô tô cần phải qua nhiều công đoạn gia công số liệu Hàm ngẫu nhiên mô tả mấp mô biên dạng mặt đường giao thông chất lương cao khảo sát với giả thiết có phân bố chuẩn, có tính dừng và ergodic Đối với các thể hiện

Công đoạn lọc số liệu thực chất là việc phân tích số liệu một cách chi tiết,

có thể được thực hiện với các mục đích khác nhau, ví dụ để tách các thành phần

có tính chu kỳ có thể làm sai lệch kết quả sau biến đổi Fourie hoặc loại trừ các lỗi khi rời rạc hoá số liệu

Hình 1.7 Làm trơn số liệu

Hình 1.7 minh hoạ cho các công đoạn làm trơn số liệu và qui tâm số liệu,

ở đây B là chiều rộng của dải làm trơn còn gọi là bước lọc

Trong không gian tần số lọc số liệu thực chất chỉ là tính tích của biến đổi Fourie của thể hiện đầu vào x(t) với đặc tính tần số của bộ lọc H(f) và sau đó thực hiện biến đổi Fourie ngược Nếu có thể hiện đầu vào x(t) thì sau khi lọc ta

có thể hiện y(t) được xác định bằng công thức:

y(t) = IFT[ H(f)X(f)]

Trong đó:

IFT: Biến đổi Fourie ngược,

X(f): Biến đổi Fourie của thể hiện đầu vào x(t),

H(f): Đặc tính tần số của các bộ lọc, còn gọi là các hàm cửa sổ

Các hàm lọc cửa sổ có nhiều loại như lọc vuông, lọc Bartlett, lọc Welch, lọc Hanna…Việc lựa chọn loại lọc cửa sổ, chiều rộng cửa sổ phụ thuộc vào bản chất số liệu và mục đích phân tích số liệu

Theo tiêu chuẩn ISO 2631 thì có thể giới hạn dải tần số nghiên cứu kích động từ mặt đường lên ô tô từ 1 đến 80 Hz Với giả thiết vận tốc chuyển động của ô tô là hằng số, dải tần số nói trên tương ứng với các thành phần kích động

có bước sóng nằm trong khoảng bước sóng tối thiểu min và bước sóng tối đa max

Để đánh giá tác động thể hiện ngẫu nhiên của mấp mô bề mặt đường cần phải xác định các đặc trưng ngẫu nhiên của nó Các đặc trưng quan trọng nhất là hàm tương quan và mật độ phổ [18]

Trong tính toán khảo sát dao động ô tô, tính toán tải trọng động tác động lên các cụm, hệ thống trên ô tô mấp mô biên dạng đường có thể mô tả bằng ba phương pháp chính [19]:

- Mấp mô biên dạng đường được mô tả như tập hợp các nhấp nhô hình học riêng biệt kế tiếp nhau, đặc trưng bởi chiều rộng và chiều cao mấp mô hoặc mấp mô biên dạng đường được mô tả bằng hàm có dạng điều hoà

- Mấp mô biên dạng đường được thay thế bằng các hàm xấp xỉ hoặc đường cong nội suy

- Mấp mô biên dạng đường được mô tả như là hàm ngẫu nhiên liên tục của chiều cao nhấp nhô biên dạng đường

Bằng phương pháp thứ nhất đã được khá nhiều tác giả quan tâm và đã đạt được nhiều kết quả trong việc đánh giá chất lượng êm dịu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động của ô tô Theo phương pháp này, trong tính toán lý thuyết dao động của ô tô thường sử dụng kích động từ mặt đường có dạng hình sin

T: Chu kỳ sóng mặt đường, s;

t: Thời gian, s

Khi mô tả mấp mô biên dạng đường bằng phương pháp xấp xỉ có thể áp dụng các phương pháp nội suy như nội suy tuyến tính, nội suy bậc, nội suy đa thức Lagranger hoặc Splain bậc 2, bậc 3 Phổ biến hiện nay là nội suy Splain bậc

3 do nó cho phép làm trơn biên dạng thay thế ở các mốc nội suy và sai lệch giữa biên dạng thay thế và biên dạng thực là nhỏ nhất

Một số tác giả đã sử dụng phương pháp thứ hai để khảo sát dao động ô tô khá hiệu quả

Trong trường hợp tổng quát, mấp mô biên dạng đường được mô tả bằng hàm ngẫu nhiên liên tục của chiều cao mấp mô theo chiều dài đường thì đặc trưng của nó có tính thống kê nhận được từ việc xử lý các kết quả đo đạc thực tế Phương pháp mô tả này đòi hỏi khối lượng lớn các công việc đo đạc, xử lý và tính toán nhưng kết quả của nó gần với thực tế do đó gần đây nó được sử dụng rộng rãi

Khi mô tả mấp mô biên dạng đường bằng hàm ngẫu nhiên theo chiều dài đường có thể xem như chúng là một tập hợp của các thể hiện ngẫu nhiên của chiều cao mấp mô biên dạng đường theo chiều dọc đường q(k,s) Trong đó:

k

s

Chỉ số k là phép thử, mỗi phép thử như vậy cho chúng ta một thể hiện ngẫu nhiên

Theo lý thuyết hàm ngẫu nhiên hai đặc trưng thống kê chính của một thể hiện ngẫu nhiên q(s) như vậy, bao gồm kỳ vọng toán mq và hàm tương quan

Trong đó:



qq: Giá trị chiều cao mấp mô tại t + , m;

P(q): Mật độ phân bố xác suất của chiều cao mấp mô q;

P(q, q): Mật độ phân bố xác suất phối hợp của chiều cao mấp mô mặt đường q và q;

Phương sai Dq xác định khi  = 0, tức là Dq = Rq(0)

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết cho thấy với độ chính xác đủ dùng cho các bài toán kỹ thuật, phần lớn các hàm ngẫu nhiên của chiều cao mấp mô biên dạng đường giao thông chất lượng cao có tính dừng và ergodic

Hàm ngẫu nhiên h(s) được gọi là dừng nếu kỳ vọng, phương sai và các đặc trưng của nó không phụ thuộc vào thời gian (t) Hàm tương quan chỉ phụ

Hàm ngẫu nhiên ergodic là hàm ngẫu nhiên dừng mà trong tập hợp các thể hiện, chỉ cần lấy ra một thể hiện cũng có thể tìm thấy các đặc trưng thống kê

Các thể hiện ngẫu nhiên này được xác định bằng thực nghiệm và được đánh giá thông qua các đặc trưng thống kê phổ biến là kỳ vọng toán, phương sai, hàm tương quan và mật độ phổ Các đặc trưng thống kê của mấp mô biên dạng đường phụ thuộc nhiều vào bản chất dữ liệu và độ chính xác khi đo đạc thực nghiệm

Kỳ vọng toán và hàm lượng tương quan của một thể hiện ngẫu nhiên dừng ecgodich có chiều dài S được xác định bằng công thức [18]:

Thực tế do các số liệu đo đạc từ thực nghiệm thường là rời rạc nên không thể xác định chính xác các giá trị mq, Rq() Chỉ xác định được các giá trị

và hàm tương quan của nó có thể xác định bằng công thức:

r N t r R

và không gian tần số Có thể sử dụng biến đổi Fourie để xác định mật độ phổ từ hàm tương quan hoặc ngược lại

Công thức biến đổi Fourie liên tục vô hạn có dạng:

1

Việc sử dụng hàm ngẫu nhiên mô tả mấp mô biên dạng đường cho phép biểu diễn và đánh giá lực tác động lên ô tô bằng các đặc trưng của quá trình ngẫu nhiên Để ứng dụng phương pháp mô tả này, cần phải đo đạc mấp mô biên dạng đường và xác định các đặc trưng thống kê cho phép đánh giá được tác động mấp mô ngẫu nhiên của mặt đường lên ô tô

Đối với đường lâm nghiệp thường gặp mấp mô đơn dạng bậc, dạng mấp

mô hình thang, tam giác, dạng hình sin đơn vị, dạng hàm điều hòa hình sin, dạng ngẫu nhiên Khác với đường giao thông chất lượng cao, khó có thể coi mấp mô biên dạng mặt đường ngẫu nhiên lâm nghiệp là có tính dừng và egodic Vì vậy khi nghiên cứu dao động ô tô lâm nghiệp các tác giả thường khảo sát đường có





n n

các mấp mô dạng bậc, mấp mô đơn dạng tam giác, dạng sin đơn vị và hàm điều hòa hình sin [9], [19].

1.3 Tổng quan về hệ thống treo của ô tô vận tải

Hệ thống treo nối đàn hồi các cầu xe với khung hay vỏ xe thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Bộ phận đàn hồi làm giảm nhẹ tải trọng động tác động từ bánh xe lên khung và đảm bảo độ êm dịu chuyển động;

- Bộ phận dẫn hướng để truyền lực dọc, ngang và mô men giữa các bánh

xe và khung xe, động học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dịch chuyển tương đối của bánh xe đối với khung;

- Bộ phận giảm chấn để dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo của ô tô

Do đó hệ thống treo cần có độ cứng thích hợp để xe chuyển động êm dịu

và có khả năng dập tắt dao động, đặc biệt là những dao động có biên độ lớn Tính năng hệ thống treo của mỗi loại xe bao giờ cũng là kết quả dung hòa giữa hai lựa chọn: Độ an toàn và độ êm dịu của ôtô

Hệ thống treo dùng trên ô tô thường gồm có bộ phận đàn hồi lắp song song với bộ phận giảm chấn và bộ phận dẫn hướng các loại

Bộ phận đàn hồi thường dùng trên xe tải là lò xo lá (nhíp), một số ít xe dùng túi khí nén, ngoài ra thường có thêm vấu hạn chế bằng cao su

Bộ phận đàn hồi kiểu kiểu lò xo lá (nhíp) không cần thanh ổn định, đơn giản, rẻ tiền, dễ chăm sóc bảo dưỡng nhưng lại có nhược điểm là khối lượng lớn, thùng xe ở trên cao nên chiều cao trọng tâm xe sẽ lớn, ảnh hưởng đến tốc độ và

sự ổn định khi xe chuyển động, mặt khác vết bánh sẽ thay đổi khi một bánh bị nâng lên làm phát sinh lực ngang và tính chất bám đường kém và dễ bị trượt ngang Loại bó nhíp (hình 1.9) và đệm cao su (hình 1.10) được dùng hầu hết trên các loại ô tô tải

Hình 1.8 Nhíp và vấu tì cao su

Phần tử đàn hồi loại khí dựa trên nguyên tắc không khí có tính đàn hồi khi

bị nén Hệ thống treo loại khí được sử dụng tốt ở các ôtô có trọng lượng phần lớn được thay đổi khá lớn như ở ô tô chở khách, ô tô vận tải và đoàn xe Loại này có thể tự động thay đổi độ cứng của hệ thống treo bằng cách thay đổi áp suất không khí bên trong phần tử đàn hồi Giảm độ cứng của hệ thống treo sẽ làm cho độ êm dịu chuyển động tốt hơn

Bộ phận giảm chấn được sử dụng với các mục đích giảm và dập tắt dao động truyền lên khung khi bánh xe lăn trên nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sử dụng Đảm bảo dao động của phần không treo ở mức độ nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đảm bảo tính năng lái và tăng tốc cũng như chuyển động

an toàn Dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm chấn sẽ biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu

Hình 1.9 Cấu tạo bộ phận giảm chấn thường dùng trên ôtô tải

Loại giảm chấn thuỷ lực kiểu ống được dùng trên nhiều xe ôtô vận tải, chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực có tác dụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp (hình 1.9)

Trên ô tô tải thường dùng hệ thống treo phụ thuộc, các bánh xe được đặt trên một dầm cầu liền, bộ phận giảm chấn và đàn hồi đặt giữa thùng xe và dầm cầu liền đó Do đó sự dịch chuyển của một bánh xe theo phương thẳng đứng sẽ gây nên chuyển vị nào đó của bánh xe phía bên kia

1.4 Các công trình nghiên cứu về dao động ô tô

1.4.1 Các công trình nghiên cứu về dao động ô tô trên thế giới

Có rất nhiều công trình nghiên cứu dao động về ô tô trên thế giới như dao động các loại xe con, mô hình dao động 1/4, các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng dao động và tối ưu hệ thống treo, các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô, các phương pháp nghiên cứu lý thuyết chủ yếu đựa vào cơ học cổ điển, gần đây sử dụng phương pháp cơ học hệ nhiều vật

Điển hình là công trình nghiên cứu dao động ô tô tải của H.H.Iasenko [40], [41] Tác giả đã nghiên cứu các yếu tố chính quyết định sự chuyển động

êm dịu của ô tô tải, tính toán dao động của ô tô tải, trang thiết bị để nghiên cứu thực nghiệm dao động ô tô tải, các thông số bộ phận treo, những yêu cầu chung

về êm dịu chuyển động và các thông số của bộ phận treo Tác giả đã đưa ra sơ

đồ dao động có kể đến sự xoắn của khung xe (hình 1.10)

Hình 1.10 Mô hình dao động ô tô của Iasenco

Các công trình nghiên cứu của Gaichev L V nghiên cứu dao động theo phương thẳng đứng có kể đến biến dạng của lốp [33]

Công trình nghiên cứu của Varava V I [32], Siliaev [36] đưa ra lý thuyết phổ nghiên cứu dao động ngẫu nhiên xe vận tải; đã đưa ra phương pháp phổ để giải bài toán dao động tuyến tính xe vận tải nhiều cầu với tác động mặt đường có mấp mô phân bố ngẫu nhiên; đã đo và xác định các đặc trưng thống kê của 12 loại đường vận chuyển Tác giả đã đưa ra phương pháp giải, phân tích các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống treo khi xe hoạt động trên đường có biên dạng mặt đường phân bố ngẫu nhiên

Tác giả Uspenski I.N Menhicov [39] đã nghiên cứu các thông số cơ bản

và đặc tính bộ phận treo của ô tô, từ đó đề xuất phương pháp tính toán thiết kế các chi tiết của bộ phận treo ô tô

Tác giả Parkhilovski I.G [34] đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết làm việc của

hệ thống treo: từ đặc điểm làm việc, điều kiện khai thác sử dụng chỉ tiêu đánh giá chất lượng kỹ thuật của ô tô có liên quan đến bộ phận treo, nghiên cứu dao động và êm dịu chuyển động của ô tô với bộ phận treo tuyến tính và phi tuyến, dao động của ô tô và các chế độ làm việc của nhíp, tính điều khiển và ổn định, từ

đó nêu ra phương pháp tính toán và thử nghiệm các loại bộ phận đàn hồi trong

hệ thống treo

Nhiều tác giả ở các nước châu Âu và Mỹ đã công bố các công trình nghiên cứu về dao động thẳng đứng và rung xóc của ô tô [42], [45], [49, [51]; ảnh hưởng của kết cấu bộ phận treo đến êm dịu chuyển động [38], [47], [49]; phương pháp mô phỏng và các phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu dao động

ô tô [45], [46], [47]; phương pháp thực nghiệm nghiên cứu dao động ô tô [43], [44]

Ngày nay trên thế giới các nghiên cứu về dao động của ô tô đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Dao động ôtô được nghiên cứu trong tổng thể hệ thống

“Đường - Xe - Người”

1.4.2 Các công trình nghiên cứu về dao động ô tô ở Việt Nam

Tác giả Nguyễn Hữu Cẩn và các cộng sự [11] đã nêu phương pháp chung nghiên cứu dao động của ô tô máy kéo Tính êm dịu trong chuyển động của ô tô

máy kéo được đánh giá qua các chỉ tiêu: Tần số dao động thích hợp, gia tốc dao động thích hợp, thời gian tác động của dao động Trong chuyển động, ô tô máy kéo dao động theo các phương: phương thẳng đứng (quanh trục Oz), phương ngang (quanh trục Ox), phương dọc (quanh trục Oy), trong đó các dao động theo phương thẳng đứng ảnh hưởng chính đến con người; theo phương ngang, phương dọc ảnh hưởng không đáng kể, có thể bỏ qua

Tác giả Phạm Văn Lang [18] trình bày phương pháp nghiên cứu các quá trình ngẫu nhiên của mặt đường dừng và ecgodic là yếu tố đầu vào vận dụng vào lĩnh vực nghiên cứu dao động máy kéo và máy nông nghiệp

Trong giáo trình “Dao động ô tô” tác giả Vũ Đức Lập [19] trình bày khá đầy đủ các chỉ tiêu đánh giá dao động, các phương pháp nghiên cứu các mô hình phẳng dao động của các loại ô tô 2 cầu và 3 cầu, làm cơ sở cho nghiên cứu dao động ô tô

Năm 1982, tác giả Đỗ Tiến Vũ [30] đã nghiên cứu mô hình toán học dao động ô tô trong mặt phẳng dọc thẳng đứng và áp dụng nó nghiên cứu dao động thẳng đứng máy kéo với tải trọng gỗ

Năm 1993, tác giả Lưu Văn Tuấn [27] nghiên cứu dao động xe ca Ba Đình, trên cơ sở đó đề xuất các biện pháp nâng cao độ êm dịu chuyển động Tác giả đã mô tả thuộc tính đàn hồi giữa khung và vỏ là kết cấu đặc trưng của xe ca

từ đó đưa ra mục tiêu nâng cao độ êm dịu cho xe khách Ba Đình

Năm 1996, tác giả Nguyễn Phúc Hiểu [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô khi xe chuyển động trên đường Tác giả đã thiết lập mô hình tính toán dao động của ô tô chịu kích động từ mấp mô mặt đường ảnh hưởng cho bài toán tính khung xương bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Năm 2003, tác giả Võ Văn Hường [14] nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát dao động ô tô tải Tác giả đã lập mô hình dao động không gian cho xe tải 3 cầu có yếu tố dao động ngang, khung xoắn chịu lực, thanh ổn định, hệ thống treo có đặc tính phi tuyến, hàm kích động riêng rẽ và tổng hợp Mô hình

có thể nghiên cứu các dao động ở vùng cận biên như tách bánh xe, quá trình va chạm vấu hạn chế hành trình, trượt và lật

Năm 2003, tác giả Trần Minh Sơn [24] nghiên cứu ứng suất, biến dạng của khung vỏ ô tô dưới kích động từ mấp mô biên dạng mặt đường ngẫu nhiên ở Việt Nam

Năm 2006, tác giả Nguyễn Văn Trà [26] đã nghiên cứu ứng dụng hệ thống treo bán tích cực ở sơ đồ ¼ để nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô Tác giả đã xác định đặc tính thống kê mấp mô mặt đường phân bố ngẫu nhiên; ứng dụng lý thuyết điều khiển trong không gian trạng thái để khảo sát dao động của ô tô có hệ thống treo bị động và hệ thống treo bán tích cực sơ đồ ¼ trên miền thời gian và miền tấn số; đã đo được mấp mô mặt đường giao thông với thiết bị tự tạo

Năm 2006, tác giả Đào Mạnh Hùng [11] xác định lực động giữa bánh xe

và mặt đường của ô tô tải trong điều kiện sử dụng ở Việt Nam Tác giả đã xác định đặc trưng thống kê mấp mô mặt đường ngẫu nhiên, xây dựng mô hình toán học ô tô hai cầu bằng phương pháp di chuyển khả dĩ, xây dựng mô hình toán học

ô tô nhiều cầu với các hệ thống treo khác nhau và khảo sát theo miền thời gian

và miền tần số

Năm 2010, tác giả Đặng Việt Hà [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ êm dịu chuyển động của ô tô khách được đóng mới ở Việt Nam Luận án đã xây dựng được mô hình dao động ô tô hai cầu trong mặt phẳng dọc, khảo sát được sự ảnh hưởng của một số thông số tới độ êm dịu chuyển động và sức chịu đựng của con người cho một số ô tô khách đóng mới tại Việt Nam và

đã thí nghiệm xác định các chỉ tiêu êm dịu chuyển động trong phòng thí nghiệm

và trên đường thử nghiệm có biên dạng hình sin cho xe ôtô tải đã được khảo sát

Năm 2010, tác giả Nguyễn Xuân Dũng [6] nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học ô tô quân sự nhiều cầu trong các hệ mô phỏng, đã kết hợp lý thuyết

cơ học hệ nhiều vật với nguyên lý cơ học Jourdains để xây dựng mô hình động lực học xe nhiều cầu nhằm mục đích sử dụng trong các hệ mô phỏng, cho phép

mô tả hệ xe chi tiết với thông tin phong phú đa dạng hơn, đưa mô hình cơ hệ nhiều vật vào trong các thiết bị mô phỏng

Năm 2012, tác giả Trần Thanh An [1] trong Luận án tiến sĩ kỹ thuật của mình đã nghiên cứu tối ưu các thông số hệ thống treo ô tô khách sử dụng tại Việt Nam

Năm 2013, tác giả Nguyễn Xã Hội [9] nghiên cứu động lực học của xe chữa cháy rừng đa năng đã xây dựng được mô hình và khảo sát dao động không gian cho xe chữa cháy rừng đa năng với kích động động học là mấp mô mặt đất rừng ngẫu nhiên và kích động động lực học do sự làm việc của bộ phận cắt cỏ rác trên miền thời gian và miền tần số, có minh chứng bằng nghiên cứu thực nghiệm

Năm 2016, tác giả Nguyễn Văn Hùng [12] đã ứng dụng phương pháp Euler nghiên cứu dao động ô tô nói chung và dao động lắc ngang nói riêng trên

mô hình dao động không gian của ô tô nhỏ UAZ khi ô tô chuyển động thẳng đều trên đường mấp mô và khi chuyển động chuyển làn trên đường phẳng; đã thí nghiệm để xác định góc lắc ngang và so sánh với lý thuyết

Các công trình nghiên cứu dao động của ô tô ở nước ta thường tập trung nghiên cứu dao động của một số loại ô tô trong một số điều kiện cụ thể, chủ yếu tập trung nghiên cứu xe khách, xe con trên đường giao thông chất lượng cao, nhiều công trình nghiên cứu mô hình phẳng, chưa kể đến sự cản dao động của bánh lốp, chưa đi sâu giải quyết bài toán có kể đến xoắn khung

1.5 Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ôtô

Tính êm dịu chuyển động là một trong những chỉ tiêu quan trọng của ô tô Tính êm dịu chuyển động phụ thuộc vào kết cấu xe và trước hết là hệ thống treo, phụ thuộc vào cường độ kích động và cuối cùng là kỹ thuật lái xe

Để đánh giá tính êm dịu chuyển động của ô tô ta thường dùng một số chỉ tiêu như: tần số dao động, gia tốc dao động và độ êm dịu…

1.5.1 Tần số dao động riêng

Tần số dao động riêng của một hệ dao động (bao gồm1 khối lượng đặt trên 1 lò xo) được hiểu là số dao động của hệ trong trong một giây (1/s tương ứng với 1Hz)

M: Khối lượng được đặt trên hệ

Tần số dao động riêng chỉ phụ thuộc vào các thông số kết cấu của hệ thống dao động (khối lượng, độ cứng, lực cản) mà không phụ thuộc vào kích thích dao động

1.5.2 Gia tốc dao động

Gia tốc dao động riêng là một chỉ tiêu quan trọng, nó kể đến ảnh hưởng đồng thời của biên độ và tần số dao động Chúng ta biết rằng dao động tự do tắt dần chỉ tồn tại trong một số chu kỳ, do vậy việc xác định gia tốc dao động sẽ có

ý nghĩa lớn khi nghiên cứu dao động cưỡng bức với sự kích thích của mặt đường

Theo tiêu chuẩn ISO 2631 độ êm dịu đối với người xem xét kết hợp của gia tốc, tần số và thời gian tác động Trong vùng tần số từ 4- 8 Hz có thể dùng gia tốc làm chỉ tiêu đánh giá:

- Rất êm dịu1,6 m/s2

- Êm dịu 3,15 m/s2

- Giới hạn làm việc 6,30 m/s2

1.5.3 Chỉ tiêu về độ êm dịu

Hệ số êm dịu K được đưa ra do tập thể các kỹ sư người Đức (VDI), tác giả cho rằng cảm giác con người khi chịu dao động phụ thuộc vào hệ số độ êm dịu chuyển động K Nếu K = const thì cảm giác khi chịu dao động sẽ không thay

đối với trục thân con người (theo phương thẳng đứng và phương ngang) và phụ thuộc vào thời gian tác động của chúng lên cơ thể

phương trung bình zc theo công thức sau đây:

c c

v v

Z K z n

z n

01 , 0 1

18 01

, 0 1

5 , 12

Ky: Hệ số hấp thụ

Để xác định K cần xác định được z hoặc z c

máy kéo càng cao Giá trị K = 0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích Khi đi lâu trên xe, cho phép K = 10 ÷ 25, còn khi đi ngắn hoặc trên xe tự hành K = 25 ÷ 63 [3]

1.6 Các phương pháp cơ học trong nghiên cứu dao động ô tô

Phương pháp nghiên cứu dao động ô tô chính là phương pháp lập và xử lý

mô hình toán mô tả dao động của các khối lượng trong cơ hệ

Thông thường người ta lập mô hình toán mô tả dịch chuyển của cơ hệ dưới dạng các phương trình vi phân Có nhiều phương pháp lập phương trình vi phân cho cơ hệ như: Phương pháp lực, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sử dụng nguyên lý D’Aalambert, phương pháp áp dụng phương trình Lagranger loại II…

1.6.1 Phương pháp sử dụng nguyên lý D’Alambert

Theo nguyên lý D’Alambert, bài toán động lực học hệ dao động sẽ đưa về bài toán tĩnh học trên cơ sở đưa lực quán tính vào cơ hệ [16], khi đó phương trình chuyển động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng đại số các ngoại lực, phản lực và lực quán tính tác dụng lên hệ khảo sát Khi đó, các phần tử của hệ dao động sẽ được tách độc lập và đặt ngoại lực cân bằng ở trạng thái tĩnh Từ đó xây dựng các phương trình cho từng phần tử để giải hệ các phương trình đơn giản

Phương pháp này khá thông dụng để giải các bài toán động lực học và trực quan hóa mối quan hệ ảnh hưởng lên từng phần tử riêng biệt trong hệ dao động Phương pháp này được dùng khi hệ dao động không phức tạp

1.6.2 Phương pháp sử dụng phương trình Lagranger loại II

Phương trình Lagranger hạng II có dạng tổng quát như sau [16], [2]:

i i i i i

Q q q q

T q

T dt