Luận văn Nghiên Cứu Hệ Thống Hút, Phun Đất Cát Và Không Khí

Để có cơ sở lý thuyết cho việc hoàn thiện hệ thống cắt đất, hút đất, phun đất trên xe chữa cháy rừng đa năng cần phải nghiên cứu sâu về nguyên lý, các thông số động lực học...để từ đó xá

-

VŨ VĂN TUÂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG HÚT, PHUN ĐẤT CÁT

VÀ KHÔNG KHÍ TRÊN XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG

LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Kü thuËt

HÀ NỘI, 2010

-

VŨ VĂN TUÂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG HÚT, PHUN ĐẤT CÁT

VÀ KHÔNG KHÍ TRÊN XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG

Chuyªn ngµnh: Kü thuËt m¸y vµ thiÕt bÞ c¬ giíi hãa N«ng - L©m

nghiÖp M· sè: 60.52.14

Ng-êi h-íng dÉn khoa häc

TS DƯƠNG VĂN TÀI

HÀ NỘI, 2010

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 10 triệu ha rừng, trong đó có khoảng gần 3 triệu ha rừng đặc dụng, rừng phòng hộ và khoảng 1 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 nạn cháy rừng hàng năm

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

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 năng suất và hiệu quả dập lửa thấp, tốn nhiều công sức Một số đơn vị đã sử dụng thiết bị chữa cháy, 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 với công nghệ sử dụng đất cát tại chỗ để phun vào đám cháy, dập tắt đám cháy

Trong đó nguyên lý cắt đất, hút đất, phun đất để dập tắt 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 cắt đất, hút đất, phun đất 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 hệ thống hút, phun đất cát và không khí 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 hút, phun đất cát và không

khí để dập tắt đám cháy rừng, 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 cắt đất, hút đất, phun đất 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 cắt, hút, phun đất cát và không khí; không nghiên cứu phần dao động, dung động của hệ thống

- Thiết bị nghiên cứu của đề tài là hệ thống cắt đất, hút đất, phun đất và không khí 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 cắt, hút, phun đất cát và không khí 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 cắt đất, hút đất, phun đất để chữa cháy rừng;

- Thiết lập công thức tính toán hệ thống cắt đất;

- Thiết lập công thức tính toán hệ thống hút đất, thùng chứa đất và hệ thống phân phối đất;

- Thiết lập công thức tính toán hệ thống phun đất;

- Tính toán bơm khí để hút và phun đất;

- Xác định 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, xác định lưu lượng, áp lực và vận tốc không khí của hệ thống cắt đất, hút đất, phun đất Do vậy nội dung nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các vấn đề sau:

- Xác định khối lượng đất cát của hệ thống cắt đất;

- Xác định lưu lượng không khí của hệ thống hút và phun đất;

- Xác định vận tốc không khí trong hệ thống hút và phun đất;

- Xác định áp lực trong hệ thống hút và phun đất;

- Xác định vận tốc cắt đất, vận tốc của bơm khí;

- Xác định thông số hợp lý của hệ thống hút đất, phun đất

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

Theo tài liệu của Maurand thì trước năm 1945, Việt Nam có 14 triệu ha rừng chiếm hơn 42% diện tích tự nhiên của cả nước, năm 1975 diện tích rừng chỉ còn 9,5 triệu ha (chiếm 29% diện tích tự nhiên), năm 1985 còn 7,8 triệu ha (23,6%) đến năm 1989 chỉ còn 6, 5 triệu ha (19,7%)

Những năm gần đây diện tích rừng hàng năm có tăng lên, nhưng chất lượng rừng còn suy giảm, nghèo kiệt đáng lo ngại, rừng nguyên sinh chỉ còn khoảng 7%, trong khi rừng thứ sinh nghèo kiệt chiếm gần 70% Việt Nam hiện 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…

Trong vài chục năm vừa qua, cùng với sự biến đổi của khí hậu toàn cầu, trung bình mỗi năm Việt Nam mất đi hàng chục ngàn ha rừng, trong đó mất do cháy rừng khoảng hơn chục nghìn hécta Theo số liệu thống kê của Cục Kiểm lâm về cháy rừng và thiệt hại do cháy rừng gây ra trong vòng 40 năm qua (1963 - 2002), 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 Gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, đó là chưa

kể đến những ảnh hưởng xấu về môi trường sống của con người và các loài động thực vật

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;

- Từ năm 1962 – 1983 tại Quảng Ninh, 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;

- Từ năm 1981 - 1994 ở tỉnh Lâm Đồng xảy ra cháy 43.238 ha rừng Thông và một số rừng trồng khác;

- Trong 4 năm (1976 - 1980) ở tỉnh Cà Mau và Kiên Giang diện tích rừng Tràm bị cháy là 43.600 ha gây thiệt hại 2 triệu m3 gỗ gây thiệt hại hàng trăm tỷ đồng;

- 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, chưa kể hàng chục tỷ đồng chi phí chữa cháy và chi phí để phục hồi phục hồi rừng của nhà nước;

- Ngày 8/2/2010 do khí hậu khô hanh đã xảy ra cháy Rừng rất lớn ở xã Bản Hồ huyện Sa Pa tỉnh Lào Cai (thuộc Vườn Quốc gia Hoàng Liên) qua thống kê, diện tích rừng đã cháy khoảng 1.700 ha (gần 1.000 ha tại Bản Hồ,

Tả Van; 700 ha giáp ranh giữa tỉnh Lào Cai và Lai Châu), gây thiệt hại lớn về kinh tế và nguồn dự trữ sinh quyển nơi đây

Hình 1.1: Cháy rừng ở Vườn Quốc gia Hoàng Liên

Bảng 1.1: Tổng hợp tình hình cháy rừng ở Việt Nam từ năm 1993 - 2003

Tổng cháy rừng kinh tế (ha)

loại để bảo vệ cuộc sống của chính mình

1.1.2 Tình hình cháy rừng trên thế giới

Vào khoảng cuối thế kỷ 18 và đầu thế kỷ 19(trước cách mạng công nghiệp), rừng trên thế giới chiếm khoảng 50% diện tích các lục địa, đến năm

1955 diện tích rừng này đã bị giảm đi một nửa Tới năm 1980 diện tích rừng của thế giới còn khoảng 2,5 tỷ (ha)

Có rất nhiều nguyên nhân làm cho diện tích rừng trên thế giới bị thu hẹp, nhưng một trong những nguyên nhân cơ bản của sự mất rừng chính là do hiện tượng cháy rừng gây ra Số liệu thống kê cho thấy, hàng năm trên thế giới trung bình có khoảng từ 10 - 15 triệu ha rừng bị cháy, các con số này đang có xu hướng tăng nhanh do sự biến đổi khó lường của khí hậu

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 đã bị cháy cùng hàng chục ngôi làng, có 19 người ở vùng này thiệt mạng, gần 1.875 ngôi nhà tại 18 khu vực dân cư khác nhau trên 17 địa phương đã bị thiêu rụi khiến hơn 2.000 người mất nhà cửa và toàn bộ tài sản Hầu hết các ngôi nhà bị cháy nằm ở khu vực Nizhny Novgorod;

Hình 1.2: Cháy rừng ở Nizhny Novgorod (Nga)

Ở Mỹ: Tại Great Idaho (8/1911) cháy rừng đã thiêu huỷ 30.000 ha và 85

người thiệt mạng Vụ cháy năm 1947 có 1.200.000 ha và có ít nhất 60 người chết;

Tại Miramichi và Maine (10/1825) cháy rừng đã thiêu huỷ 30.000 ha,

số người thiệt mạng không xác định được;

Trong hai năm 1993 - 1994 hàng nghìn vụ cháy rừng đã thiêu huỷ khoảng 1.590.000 ha Riêng năm 2000 ở Mỹ đã bị cháy 2,8 triệu ha, đã phải chi phí tới 15 triệu USD/ngày trong vòng hơn 2 tháng;

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 Riêng tháng 7 và tháng 8/1998 có tới 9.000 vụ cháy lớn nhỏ, thiêu huỷ khoảng 1.500.000 ha rừng và hàng trăm ngôi nhà bao quanh bao gồm cả bệnh viện, tiệm ăn, nhà máy, trường học… Trong vòng vài tuần của tháng 7/2000 đã có tới 70.000 ha rừng bị cháy Tháng 9 đến tháng 10 năm 2007 Hy Lạp đã xảy ra vụ cháy rừng kéo dài hơn một tháng làm thiệt hại khoảng 120.000 ha rừng làm 60 người chết, thiệt hại về kinh tế khoảng 60 tỷ đô la;

Đặc biệt vào tháng 8/2009 ở ngoại ô phía Bắc và Đông thủ đô Athens

Hy Lạp từ cuối tuần qua đã khiến hàng chục nghìn người dân phải rời nhà đi

sơ tán, ước tính khoảng 15.000ha rừng và đất trồng trọt cùng hàng chục ngôi nhà đã bị thiêu hủy, làm 77 người chết và hơn 250.000ha rừng và đất canh tác

bị thiêu trụi

Hình 1.3: Cháy rừng ở thủ đô Athens (Hy Lạp)

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

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

16/2/1983, một vụ cháy đã thiêu huỷ hơn 335.000 ha rừng và đồng cỏ ở Bang

Victoria, làm chết 73 người, hơn 1.000 người bị thương và gây thiệt hại khoảng 450 triệu USD;

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

thiệt hại hàng tỷ đô la 150 người thiệt mạng;

Tại Khu vực Đông Nam Á:

Theo số liệu thống kê của FAO, từ năm 1982 đến đầu năm 1998 có trên

15 triệu ha rừng và đất rừng trong khu vực bị cháy Trong đó, Inđônêsia là nước thường xảy ra cháy rừng với thiệt hại lớn nhất Cháy rừng tại Inđônêsia năm 1998 làm ô nhiễm không khí cả các nước trong khu vực

Theo Peter F Moore (Giám đốc dự án phòng chống cháy khu vực Đông Nam Á) Tình hình cháy rừng trên thế giới trong hai năm 1997 - 1998 được thống kê theo bảng sau:

Bảng 1.2: Tình hình cháy rừng trên thế giới trong 2 năm (1997 – 1998)

Khu vực cháy (triệu ha) D.tích rừng bị Lượng CO2 thải ra

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

Cháy rừng là một thảm họa mà bất cứ quốc gia nào cũng phải quan tâm, đầu tư nghiên cứu: trang thiết bị cũng như các giải pháp nhằm hạn chế thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra

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 [32], [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 1.4: Máy bay chữa cháy rừng Theo tài liệu [41], [42], [43]; 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 1.5: 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 1.6: 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 1.7: 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

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 sử dụng đất cát phun vào đám cháy để dập lửa là rất 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 7.000 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 [8],

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” [15],

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 1.8: 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” [16]

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 [24], 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

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” [17], 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 [26]:

“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 xe chữa cháy rừng đa năng

Trên xe chữa cháy rừng đa năng có sử dụng hệ thống cắt đất, hút đất, phun đất cát và không khí chữa cháy rừng Kết quả khảo nghiệm hệ thống phun đất cát chữa cháy rừng cho thấy khả năng dập lửa tốt

Song kết quả của đề tài chưa đề cập đến việc nghiên cứu sâu về nguyên

lý tính toán của hệ thống, chưa nghiên cứu về vấn đề động lực học của hệ thống hút, phun đất cát và không khí chữa cháy rừng

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 của hệ thống

Đề tài trọng điểm cấp nhà nước KC07.13/06-10, đã thiết kế chế tạo hệ thống cắt đất, hút đất, phun đất 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 hệ thống cũng như nghiên cứu các thông số tối ưu

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 và diễn biến ngày càng phức tạp do sự biến đổi của khí hậu toàn cầu

- 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 cắt, hút, phun đất cát và không khí là rất phù hợp với điều kiện chữa cháy rừng nơi không có nguồn nước

- Các công trình nghiên cứu về hệ thống cắt, hút, phun đất cát và không khí để dập lửa 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 này của xe chữa cháy rừng đa năng cũng như làm tài liệu tham khảo cho việc tính toán hệ

thống hút phun đất cát nói chung thì việc thực hiện đề tài:“Nghiên cứu hệ

thống hút, phun đất cát và không khí 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 đất, hút, phun đất cát và không khí được thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau, nhiều dạng khác nhau, như được trình bày ở phần phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ luận văn chỉ nghiên cứu hệ thống cắt đất, hút đất, phun đất cát và không khí 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 cắt đất

2.1.2.1 Cấu tạo hệ thống cắt đất

63

62 50

51

52 53 54 55

56

57 58

59 60

61

Hình 2.2 Mô hình cấu tạo của hệ thống cắt đất 50- Khớp nối vào xe ô tô; 51- Khung đỡ hệ thống; 52- Khớp quay; 53- Tấm bắt khớp quay; 54- Thanh nối; 55- Động cơ thủy lực; 56- Buồng hút đất; 57- Miệng nối với ống hút; 58- Giá bắt xi lanh; 59- Xi lanh thủy lực; 60- Thanh trượt; 61- Tấm chịu lực lắp thanh trượt; 62- Xi lanh thủy lực nâng hạ hệ thống; 63- Khớp nối vào xe ô tô

Để tạo ra một khối lượng đất nhất định cho quá trình chữa cháy, chúng tôi thiết kế hệ thống cắt đất này có thể ăn sâu xuống đất nhờ xi lanh thủy lực (62), đồng thời có thể dịch chuyển sang trái hoặc phải nhờ có xi lanh thủy lực (59) Toàn bộ hệ thống cắt đất trượt trên thanh trượt (60)

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Khởi động cho động cơ thủy lực (55) hoạt động Chuyển động quay được truyền từ động cơ cho hệ thống, dao cắt đất chuyển động quay, quá trình cắt đất được thực hiện theo nguyên lý cắt đất ở dạng búa Do vậy, dao cắt dự trữ một động năng lớn, hệ thống cắt đất được hạ xuống nhờ xi lanh (62) và khi dao cắt tiếp xúc với đất sinh ra xung lực va chạm Mặt khác, thời gian va chạm giữa dao cắt và đất là ngắn, cho nên xung lực va chạm biến thành lực cắt đất, phá vỡ kết cấu của đất Đất được cắt ra và tung lên trong buồng hút, buồng hút được nối với bơm hút khí bằng miệng ống (57), do đó, đất đượt hút lên ống hút và đi vào thùng chứa đất

Ưu điểm của hệ thống cắt đất ở dạng búa 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, đất sau khi được cắt nhỏ vụn và tung lên tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hút đất Đây là ưu điểm lớn nhất của phương pháp cắt đất

ở dạng búa được áp dụng để tính toán thiết kế xe chữa cháy rừng đa năng này Với phương pháp cắt đất ở dạng búa cho phép có thể cắt được tất cả các loại đất

ở trong các khu rừng

2.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống hút - phun đất

2.1.3.1 Cấu tạo hệ thống hút - phun đất

71

14 77

78 16 23 73

73

74

75 72

Hình 2.3 Mô hình cấu trúc của hệ thống hút - phun đất

14- Mặt bích nối với ống phun đất; 16- Thùng chứa đất; 23- Ống nối bơm hút; 71-Ống hút mềm nối buồng hút đất; 72- Bơm đẩy khí áp lực cao; 73- Động cơ thủy lực chạy bơm khí; 74- Bộ truyền đai; 75- Giá đỡ động cơ; 77- Van phân phối đất; 78- Động cơ thủy lực làm quay van phân phối

2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động

Sử dụng bơm khí lốc xoắn kép để tạo ra áp lực hút, đẩy lớn Bơm hút được nối với thùng chứa đất; thùng chứa đất nối với buồng hút đất bằng ống hút mềm (71) Bơm hút khí nhận mô men quay từ động cơ thủy lực (73) và khi hoạt động bơm hút tạo ra một độ chân không nhất định ở trong thùng chứa đất (16) và ống hút (71) Do đó, đất cát sau khi được cắt và tung lên, dướt áp lực hút lớn ở trong ống hút làm cho đất cát đi theo ống hút vào trong thùng chứa đất (16) Ở trong thùng chứa đất, đất được lắng xuống dưới và đi vào van phân phối, còn không khí đi ra ngoài theo đường ống (23) Van phân phối (77) có nhiệm vụ cấp đất xuống ống thổi với một lượng nhất định Bơm thổi khí lốc xoắn kép áp lực cao được nối với ống thổi đất, khi đất rơi xuống ống thổi được dòng không khí có vận tốc và áp lực cao thổi ra ngoài qua ống (14)

và đi vào ống phun đất và phun vào đám cháy

Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là dùng bơm khí lốc xoắn kép để tạo ra dòng không khí có áp lực hút và đẩy cao để hút đất và thổi đất Như vậy, hệ thống có nhiệm vụ phun đất cát và không khí với tốc độ cao vào đám cháy nhằm mục đích dập tắt đám cháy Van phân phối (77) có nhiệm vụ cấp đất đều đặn và liên tục xuống cho ống thổi, đồng thời chặn không cho không khí đi lên thùng chứa đất

2.1.4 Thông số kỹ thuật của hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất

Thông số kỹ thuật của hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất trên xe chữa cháy rừng đa năng được ghi ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất

I Thông số kĩ thuật của hệ thống cắt đất

5 Số vòng quay của đĩa thép vòng/phút 1500

II Thông số kĩ thuật của hệ thống hút và phun đất cát

1 Vận tốc không khí ở miệng ống thổi m/s 65

2 Vận tốc không khí ở trong ống hút m/s 30

7 Lưu lượng không khí trong ống hút m3/phút 85

8 Lưu lượng không khí trong ống thổi m3/phút 100

11 Khoảng cách đất phun xa cánh miệng ống thổi m 4

2.1.5 Những vấn đề cần phải nghiên cứu giải quyết của hệ thống cắt đất,

hút đất và phun đất

2.1.5.1 Đối với hệ thống cắt đất

Đề tài đã lựa chọn hệ thống cắt đất ở dạng búa, cắt đất 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) Đất sau khi được cắt thì vỡ ra và bị tung lên, do vậy rất thuận lợi cho việc hút đất vào buồng hút Vấn đề cần giải quyết ở bài toán này là:

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

- Xác định các thông số của hệ thống cắt đất như đường kính đĩa thép, chiều dài dao cắt và vận tốc cắt để năng suất cắt là lớn nhất, tiêu hao công suất là nhỏ nhất

2.1.5.2 Đối với hệ thống hút và phun đất

Như đã trình bày ở phần nguyên lý hoạt động của hệ thống đó là sử dụng không khí có vận tốc cao và áp lực lớn để hút đất từ buồng hút đi vào ống hút, qua thùng chứa rồi vào van phân phối và đi ra ống thổi, cuối cùng được quạt thổi với áp lực cao qua đường ống rồi phun vào đám cháy để dập tắt ngọn lửa Vấn đề cần phải giải quyết ở bài toán này là:

- Xây dựng mô hình tính toán hệ thống hút và phun đất;

- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán lưu lượng, vận tốc, tổn hao đường

ống của hỗn hợp đất cát và không khí trong đường ống hút cũng như trong đường ống đẩy;

- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán thùng chứa đất và van phân phối đất;

- Xác định thông số hỗn hợp của hệ thống hút và phun đất;

- Xây dựng cơ sở lý thuyết, tính toán bơm khí để tạo ra áp lực hút và đẩy lớn, sử dụng hệ thống hút - đẩy

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

2.2 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 vận chuyển vật liệu rời bằng sức gió, lý thuyết tính toán bơm quạt và máy nén 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 đất ở dạng búa, lý thuyết vận chuyển bằng sức gió để xác định vận tốc không khí, lưu lượng và áp lực của không khí trong đường ống vận chuyển, 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 [11], [14]

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Trong luận văn này tôi sử dụng theo phương pháp đo lưu lượng và vận tốc không khí trong đường ống, đo tiêu hao công suất được thực hiện thông qua việc đo áp lực dầu trong động cơ thủy lực 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 định áp lực không khí trong đường ống hút và đường ống thổi, xác định tiêu hao công suất của động cơ 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 [6], [10], [12], [13] 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 CẮT, HÚT, PHUN

ĐẤT CÁT 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 cắt, hút và phun đất 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 đất ở dạng búa, quá trình hút đất và phun đất; cụ thể là thiết lập công thức tính toán lực cắt đất, tính toán lưu lượng, vận tốc không khí và tổn hao cột áp trong đường ống của hệ thống hút và phun đất

Phương pháp chung để nghiên cứu các nội dung này là dựa vào lý thuyết va chạm trong cơ học, nguyên lý vận chuyển bằng sức gió, từ đó mô hình tính toán thiết lập công thức tính lực cắt, lưu lượng và vận tốc không khí trong đường ống 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 Cơ sở lý thuyết của quá trình chuyển động của đất trong đường ống

Quá trình hút, phun đất cát và không khí thực chất là vận chuyển những hạt rắn lẫn trong dòng không khí bằng đường ống (vận chuyển bằng sức gió) Phương pháp tính toán có nhiều điểm khác với phương pháp tính hệ thống dẫn không khí thông thường

3.1.1 Xác định vận tốc của dòng không khí trong đường ống thẳng đứng

Những hạt đất, cát chuyển động được trong đường ống là do áp lực của

dòng không khí tác động vào, điều kiện để hạt đất chuyển động lên trên là áp lực tác dụng của dòng không khí chuyển động từ dưới lên trên gây ra phải bằng hoặc lớn hơn trọng lượng bản thân của hạt Sơ đồ lực tác dụng của dòng không khí trong đường ống tác dụng lên hạt đất được thể hiện trên hành 3.1

Hình 3.1: Lực tác dụng lên hạt đất, cát trong dòng không khí

2 0

1   ; kG (3.1)

- Lực tác dụng do ma sát giữa không khí và bề mặt xung quanh của hạt:

.S

g2

vP

2

2    ; kG (3.2) Nếu gọi P là lực tác dụng lên hạt rắn từ dưới lên trên thì:

S

g

v F g

v K P P P

2 2

0 2

 (3.3)

Trong đó: K0 – hệ số tỷ lệ kể đến ảnh hưởng của sự chảy bọc các hạt của dòng không khí, đối với hạt có hình thon K0 1, đối với hạt hình cầu có

hệ số K0 thay đổi theo chuẩn số Re

F- Tiết diện trực đối lớn nhất của hạt theo phương trục đối xứng, m2; V- Vận tốc của dòng không khí trong ống dẫn, m/s;

- Hệ số ma sát;

v

S – Bề mặt xung quanh của hạt, m2;

- Trọng lượng đơn vị của không khí, kg/m3;

Điều kiện để hạt rắn ở trạng thái lơ lửng trong dòng không khí là:

S

g

v F g

v K P G

2 2

; m/s (3.5)

+ Đối với hạt thon K0= 1 và khi không khí ở điều kiện tiêu chuẩn

3 m / kg 2

v F g

v K

P          (3.6) Thành phần của lực ma sát trong phương trình trên không đáng kể, có thể bỏ qua, vận tốc cân bằng được tính theo công thức sau:

Đối với hệ thống vận chuyển bằng khí ép Re= (0,5-7).105 và ứng với trị

số Re trong khoảng ấy ta có K0=0,5 ta có

v cb 4,7 dh , m/s (3.8)

Tóm lại: Muốn cho đất cát chuyển động trong đường ống thẳng đứng thì

vận tốc không khí lớn hơn vận tốc cân bằng tính theo công thức ( 3.7) hoặc (3.8)

3.1.2 Xác định vận tốc trong ống dẫn nằm ngang

Lực P sẽ tác dụng trực giao với phương của lực G, do đó hạt sẽ rơi

xuống và lăn theo đường ống Phần không khí bị cuốn theo các hạt sẽ gây ra một lực đẩy P’ nào đó làm cho hạt lại được bốc trở lên, rồi lại rơi xuống, cứ thế mà hạt được tải đi theo dòng không khí

Hình 3.2: Chuyển động của hạt vật liệu trong ống nằm ngang

Để xác định vận tốc lơ lửng trong trường hợp ống ngang, giáo sư V.N Lêvinxơn, trên cơ sở lý thuyết đã đưa ra công thức sau đây dùng cho hạt rắn

có hình kéo dài (hình lăng trụ)

Trong đó: - mật độ của không khí, kg.s2/m4;

l- chiều dài hạt hình lăng trụ, m;

d- đường kính của hạt lăng trụ, m;

v

Vận tốc làm việc của hệ thống phụ thuộc vào một độ của vật liệu vời

không khí trong đường ống, mật độ  được tính theo công thức sau:

L- lưu lượng không khí sạch trên đường ống, kg/s;

Khi   1: vận tốc làm việc v lv 1 , 25  1 , 3v cb;

  2- vận tốc làm việc v lv  1 , 5v cb;

  10  15-vận tốc làm việc v lv 2  2 , 5v cb

3.2 Xây dựng mô hình tính toán hệ thống cắt đất, hút đất, phun đất và không khí

- Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất

được thể hiện trên hình sau:

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất

9- Van phân phối đất 10- Quạt hút

11- Ống thổi phun đất 12- Sàn xe 13- Tấm chắn

o o 1

- Nguyên lý hoạt động: Hệ thống cắt đất cắt theo nguyên lý cắt ở dạng

búa, dao cắt đất (3) được lắp với đĩa thép (2) bằng khớp (O’), khi hoạt động dao cắt vừa quay quanh điểm O và điểm O’ Đĩa thép quay với vận tốc lớn nên dao cắt dự trữ một động năng lớn, khi tiếp xúc với đất tọa ra xung lực va chạm lớn, xung lực va chạm biến thành lực để cắt đất, với xung lực lớn này đất được phá vỡ và tung lên cùng với dao cắt Quạt hút (10) tạo ra trong đường ống hút (6) một vận tốc không khí lớn, tại cửa hút (6) đất được hút vào ống hút (6) và đi vào thùng chứa đất (8); tại thùng chứa đất (8) đất được rơi xuống đáy thùng và vào miệng phân phối đất (9) Van phân phối (9) có nhiệm

vụ cấp đất xuống cho ống thổi (11), đồng thời chặn không cho không khí đi lên thùng chứa Quạt thổi (7) tạo ra trong ống thổi (11) một dòng không khí

có áp lực cao, vận tốc lớn, nên đất trong ống thổi được thổi ra ngoài và khi ra ngoài phun ra với vận tốc lớn

Nguyên lý làm việc của hệ thống này là: sử dụng không khí với áp lực

và vận tốc lớn để hút, phun đất Thiết bị để tạo ra không khí có áp lực hút cao,

áp lực đẩy lớn được sử dụng trong hệ thống này là bơm khí xoắn kép

Hình 3.4: Cấu tạo của hệ thống cắt đất dạng búa

1 Đĩa thép 2 Dao cắt 3 Lưỡi dao cắt

b) Nguyên lý cắt đất ở dạng búa

Dựa vào cấu tạo và chuyển động của hệ thống, quá trình cắt đất được chia thành 5 giai đoạn sau:

Hình 3.5: Nguyên lý cắt đất dạng búa

- Giai đoạn 1: Dao cắt chuyển động ở trên không chưa tiếp xúc với đất;

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 3.4)

- Giai đoạn 2: Dao cắt tiếp xúc với đất (cắt đất) khi cho dao cắt tiếp xúc với đất 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 3.5a)



 o

- Giai đoạn 3: Bẩy và tách đất: sau khi lưỡi cắt 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 3.5a (quá trình cắt và bẩy đất tương tự như cuốc đất bằng thủ công)

- Giai đoạn 4: Kéo đất Khi điểm 02 di chuyển đến 03 theo quan hệ động học thì dao cắt chuyển động tịnh tiến, trong qua trình chuyển động dao cắt kéo theo lượng đất máy vừa tạo ra Như vậy, đất sau khi cắt ra được đưa lên miệng

hố (hình 3.5b)

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

đất dạng búa, nó đã giải quyết được khó khăn lớn nhất trong việc cắt đất Lâm

nghiệp 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

- Đất sau khi được cắt tung lên rất thuận lợi cho qui trình hút đất, đây là

đặc điểm quan trọng để áp dụng vào hệ thống hút đất

3.3.2 Thiết lập công thức tính toán hệ thống cắt đất ở dạng búa

a) Lực cắt đất

Có thể xem nền đất là tấm đàn hồi đặt trên nền cố định chịu va chạm

với tải trọng SA và vận tốc va chạm là vận tốc đầu dao A ngay trước thời điểm

va chạm:vA = (R0+l).ω Lực cắt đất trong va chạm này được xác định theo

công thức tính tải trọng động khi va chạm ngang, theo tài liệu [18]:

Pmax  P kt. d (3.11)

Trong đó: Pt  SA/t1; d

v k

g t



 với: v - vận tốc va chạm: vv A R0l ;

t1 - Thời gian va chạm

t

 - biến dạng tại điểm va chạm, có thể tính theo lý thuyết độ lún của nền

đất Độ lún t có thể được xác định bằng thí nghiệm với các loại đất mặt rừng:

 t S P0 t

Với: S0 - độ lún của đất do áp lực P t  1 /N mm2 gây ra;

1( t)

V

t

g S P  (3.12) Thay xung lực SA tính theo các công thức trên ta có lực cắt đất trong quá trình va chạm là:

Pmax= 02 1

o j l

l

R 

0

1 0

Trong đó: t1- thời gian va chạm

Thời gian va chạm được tính theo công thức sau:

1

h t v

 Với h- chiều sâu lưỡi cắt đi xuống đất (m)

b) Chuyển động của dao cắt trong lòng hố

Sau thời điểm va đập, chốt O1 vẫn chuyển động quay quanh O, nó kéo dao chuyển động theo làm cho dao có chuyển động song phẳng: quay tương đối quanh O1 và chuyển động theo cùng chốt O1

Trong chuyển động tương đối quanh O1, do có lực quán tính của khối tâm C nên có xu hướng quay thuận kim đồng hồ, làm cho mũi dao A luôn tỳ sát vào đáy hố Ta có thể tính được áp lực NA theo phương trình cân bằng mômen trong chuyển động tương đối:

    ở vị trí thấp nhất, áp lực lớn nhất của dao lên đáy hố

được tính theo công thức sau: 1

Hình 3.6: Sơ đồ tính áp lực của dao cắt trong lòng hố

c) Công suất động cơ cắt đất

Trong trường hợp có hai dao cắt cùng làm việc thì công suất động cơ bao gồm công suất cắt đất, công suất bẩy và tách đất, công suất kéo đất và công do ma sát của dao trong lòng hố Công suất của động cơ được tính như sau:

Nđc=Ncd + Nb + Nk + Nms (3.14)

Ncd- Công suất cắt đất;

Nb - Công suất bẩy và tách đất được tính như sau:

Nb = F1 ( R0 +l)  (3.15) Trong đó: Nb - Công suất bẩy đất;

F1 - Lực sinh ra mômen bẩy tại điểm 01

Nk - Công suất để kéo đất được tính như sau:

Nk = b.h..γ .( R0+l) (3.16a) Trong đó: b - Bề rộng lưỡi cắt (m);

h - Chiều sâu lưỡi cắt ăn vào đất (m);

γ - Trọng lượng riêng của đất (kg/m3 );

Pl - áp lực tĩnh của dao lên đất trong lòng hố;

f - Hệ số ma sát giữa lưỡi cắt với đất

Thay các công thức (3.15); (3.16a); (3.16b) vào công thức (3.14) sau

khi biến đổi công suất của động cơ được tính theo công thức sau:

Nđc= 12

l ( j1 2 ( R0 + l)R0 - j1.2 (R0 +l)l + F1..l2.R0 +F1..l3 + 0.572b.h..l2.R0

+ 0.572b.h..l3 + R02.f.l.Fqt + R02.f.l.Pt + R0.f.l2 P1 ) (3.16c)

Nhận xét: Công suất động cơ phụ thuộc vào bán kính đĩa thép, chiều dài

dao cắt, bề rộng dao cắt, vận tốc góc của dao, hệ số ma sát giữa dao và đất, chiều

sâu cắt đất

d) Năng suất cắt đất

Năng suất của hệ thống cắt đất được tính toán theo công thức sau:

N s đ   đ.b l.u (3.17a)

Trong đó: - Hệ số không cắt liên tục,   0 , 75;

đ- Trọng lượng riêng của đất, 1500 kg/m3; b- Bề rộng hố cắt, m; l- Chiều dài hố cắt, m;

u- Tốc độ ăn dao vào đất, m/s

đ s

Áp dụng nguyên lý tính toán vận chuyển bằng sức gió trong tài liệu

[39] vào sơ đồ tính toán hệ thống hình 3.3, ta thiết lập công thức tính toán của

GM  mđ

(3.18)

Trong đó: Gm – Khối lượng đất hút trong đường ống (kg/s);

Qm – Năng suất của hệ thống (m3/h);

đ – Trọng lượng riêng của đất (kg/m3);

G Q





 (3.19)

Trong đó: Q- Thể tích không khí (m3/s);

B – Trọng lượng riêng của không khí (kg/m3);

 - Hệ số đậm đặc của hỗn hợp đều và không khí ( =2 -5)

3.4.3 Đường kính ống hút được xác định theo công thức

Q 4

d cb

d 76 , 2 v

V (3.21)

Trong đó: a- Hệ số cản trong ống (a = 1,23 – 1,25);

c – Hệ số (c = 0,25 – 0,4)

Tóm lại: Khi thiết kế hệ thống hút đất, khối lượng của đất cát tính theo

công thức (3.19), thể tích không khí cần thiết tính theo công thức (3.20), đường kính ống hút được tính theo công thức (3.20), vận tốc của không khí trong đường ống được tính theo công thức (3.21)

3.4.5 Tính tổn thất áp lực trong đường ống hút

Theo tài liệu [39], tổn thất áp lực toàn phần của hệ thống được xác định như sau:

h p c đ 0 nn

P       (3.22) Trong đó: Ptp- Tổn thất áp lực toàn phần, kg/m2;

Pnn- Tổn thất áp lực đoạn ống nằm ngang, kg/m2;

Po- Tổn thất áp lực trong ống hút, kg/m2;

Pđ- Tổn thất áp lực đầu đường ống, kg/m2;

Pc- Tổn thất áp lực đoạn đường ống cong, kg/m2;

Pp- Tổn thất áp lực van phân phối, kg/m2;

Ph- Tổn thất áp lực đoạn chênh cao, kg/m2

a) Tổn thất cột áp trong đường ống nằm ngang

B B

g D

L P