TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VĂN LỘC NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA GHẾ NGỒI NGƯỜI LÁI TRÊN XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG KHI LÀM VIỆC Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng
1.1.1 Công nghệ chữa cháy rừng trên thế giới
Theo tài liệu thống kê về phương pháp chữa cháy rừng thì hiện nay các nước trên thế giới đang sử dụng một số công nghệ chữa cháy rừng như sau [38]:
Công nghệ chữa cháy rừng trực tiếp: là phương pháp bố trí đội hình chữa cháy trực tiếp đối đầu, bao vây ngọn lửa và dùng dụng cụ đập lửa liên tục Phương pháp này chỉ được sử dụng khi đám cháy có ngọn lửa thấp, cường độ cháy nhỏ
Công nghệ chữa cháy rừng song song: là phương pháp bố trí đội hình chữa cháy đứng về phía trước (đầu hướng gió) để thực hiện biện pháp phát dọn băng trắng ngăn cản lửa Phương pháp này sử dụng trong điều kiện khi đám cháy có ngọn lửa cháy với cường độ vừa phải
Công nghệ chữa cháy rừng gián tiếp (hay công nghệ đốt chặn): là phương pháp dùng lửa đốt ngay từ phía trước đầu hướng gió của đám cháy để hai ngọn lửa tiến giáp lại với nhau và tự tắt (do cháy hết vật liệu cháy) Sử dụng phương pháp này khi đám cháy có cường độ dữ dội, sức nóng lan tỏa trên phạm vi rộng, con người khó tiếp cận với đám cháy [38]
1.1.2 Thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới
Cháy rừng là một hiểm họa rất lớn đối với bất kỳ quốc gia nào trên thế giới bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của con người và môi trường xung quanh Do đó rất nhiều nước trên thế giới quan tâm, chú trọng đầu tư phát triển, nghiên cứu thiết kế ra các loại máy, phương tiện chữa cháy rừng, đồng thời ứng dụng, cải tiến các kỹ thuật và công nghệ phòng cháy, chữa cháy rừng để hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra Ở một số nước phát triển như Mỹ, Canada, Đức, Trung Quốc, Nhật Bản… sử dụng thiết bị chữa cháy chủ yếu là máy bay phun nước và hoá chất để dập lửa Ngoài ra còn sử dụng cả xe ô tô mang theo nước và hoá chất để chữa cháy Các công trình nghiên cứu về thiết bị này tương đối hiện đại và chúng đã được sử dụng rộng dãi và hiệu quả trong thực tế chữa cháy rừng ở các nước phát triển
Hình 1.1: Máy bay phun hoá chất chữa cháy rừng Trong những năm qua hình ảnh về chiếc máy bay cứu hoả lớn nhất thế giới Evergreen Supertanker của Mỹ đã thực hiện nhiệm vụ chữa cháy rừng đã trở lên quen thuộc ở một số nước Evergreen Supertanker chính là máy bay chở khách Boeing 747 – 200 được cải tiến thành máy bay chữa cháy Dung tích bình chứa nước của nó lên tới 95.000 lít Evergreen Supertanker được chế tạo sau vụ cháy rừng khủng khiếp ở Mỹ năm 2002, khi hai chiếc máy bay khác tham gia chữa cháy rừng bị nổ tung
Hình 1.2: Máy bay chữa cháy Evergreen Supertanker của Mỹ Ở những nơi gần nguồn nước như sông, suối, ao, hồ… người ta đã sử dụng máy bơm nước để chữa cháy rừng Thiết bị chuyên dùng hình 1.3 là các tháp nước được sử dụng để dập tắt các đám cháy rừng Thiết bị này có ưu điểm là hiệu quả dập lửa lớn, chữa được loại cháy trên tán cây Nhược điểm của loại thiết bị này là tính di động không cao, phụ thuộc vào nguồn nước, đối với khu rừng cách xa nguồn nước khoảng 3km thì thiết bị này không sử dụng được Loại máy này phù hợp với chữa cháy ở rừng ngập nước
Hình 1.3: Chữa cháy rừng bằng tháp nước Tại Trung Quốc vừa chế tạo thành công xe chữa cháy có khả năng phun bốn tấn nước mỗi phút, phạm vi tối đa dập tắt ngọn lửa là 120m (gần 400feet), hình 1.4
Xe này có khả năng cơ động trong phạm vị lớn, nhưng cũng chỉ phát huy được hiệu quả ở những địa bàn có nguồn nước
Hình 1.4: Xe chữa cháy tại Trung Quốc
1.1.3 Công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam
Hiện nay ở Việt Nam sử dụng thiết bị chữa cháy rừng còn rất thô sơ và cũng không có lực lượng chuyên trách chữa cháy rừng Lực lượng kiểm lâm vừa làm công việc bảo vệ rừng, vừa làm công việc phòng và chống cháy rừng Do đó khi có cháy rừng các cơ quan chức năng mới huy động nhân lực tại chỗ để chữa cháy, nên hiệu quả còn rất hạn chế
Phương pháp chữa cháy rừng ở nước ta còn đơn giản, thủ công như dùng cành cây, vỉ dập lửa, cào quốc… để dập lửa như hình 1.5 Đây là những công cụ dập lửa đơn giản dẻ tiền, phù hợp với điều kiện địa hình phức tạp mà các phương tiện khác không tiếp cận được Phương pháp này chỉ phù hợp với những đám cháy nhỏ, mới bắt đầu cháy Nhưng tốn nhiều công lao động, năng xuất thấp, không chữa cháy được đám cháy lớn
Hình 1.5: Dùng cành cây để dập lửa Một số đơn vị quản lý rừng đang sử dụng bình bơm nước đeo vai, máy thổi gió công suất lớn, máy bơm nước khiêng tay để chữa cháy Hiệu quả khi sử dụng phương tiện này có cao hơn phương tiện chữa cháy bằng thủ công, nhưng cũng không có khả năng dập được các đám cháy lớn Giá thành các phương tiện này còn cao do phải nhập khẩu
Hình 1.6: Sử dụng bơm nước để chữa cháy rừng Thiết bị tạo băng cách ly: Trong chữa cháy rừng, phương pháp tạo băng trắng để khoanh vùng, cô lập đám cháy cũng thường xuyên được áp dụng đối với những đám cháy rừng lớn, cháy trên tán cây, cháy ngầm dưới mặt đất Các thiết bị tạo băng trắng hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là dùng cưa xăng, máy phát quang, cào cuốc,
Sử dụng công trình phục vụ phòng chống cháy rừng: kênh nước, kênh cạn, băng trắng, băng xanh, hồ chứa nước giữ ẩm đất rừng…
Xe chuyên dụng chữa cháy: Mặc dù đã có khá nhiều loại xe chữa cháy trên thị trường đã được đưa vào thử nghiệm hay sử dụng như: xe thang chữa cháy do Mỹ sản xuất (hình 1.7), xe chữa cháy công nghệ phun bọt khí nén (CAFS) do hãng Morita (Nhật Bản) sản xuất, xe chữa cháy Dol với nhiều thế hệ khác nhau đã xuất hiện tại Việt Nam (hình 1.8) Các loại xe chữa cháy này chủ yếu là xe nhập khẩu giá thành rất cao Nhìn chung, chúng ta chưa sản xuất ra được các loại xe hay các phương tiện phục vụ công tác chữa cháy
Gần đây nhất, kĩ sư Trần Thành Đạt và cử nhân Huỳnh Hữu Phước đã chế tạo xe chữa cháy tí hon SAMCO Tina-m để chữa cháy trong các hẻm và các ngõ ngách nhỏ ở khu dân cư (hình 1.9)
Hình 1.7: Xe thang chữa cháy Hình 1.8: Xe chữa cháy phun bọt và khí nén
Hình 1.9: Xe chữa cháy tí hon SAMCO tina-m
Trong năm 2009 tiến sỹ Phạm Đắc Thống đã nghiên cứu, chế tạo ra hỗn hợp chữa cháy có tên là ĐT-HP Hỗn hợp chữa cháy đa năng ĐT-HP được sản xuất ở dạng dung dịch 5% của hỗn hợp hai muối Natriclorua và Natri Laurylsulfat Khi sử dụng chỉ việc pha thêm nước để thành dung dịch nồng độ 0,5% Đối với vật dạng rắn, chỉ cần dùng đầu lăng phun dung dịch đủ thấm ướt bề mặt vật cháy; với vật cháy dạng lỏng như xăng dầu hay chất kỵ nước thì dùng đầu lăng tạo bọt hòa không khí phun lên bề mặt chất cháy, đám cháy sẽ bị dập tắt ngay Đặc biệt, hỗn hợp ĐT-
Tổng quan về xe chữa cháy rừng đa năng
- Xe chữa cháy rừng đa năng (hình 1.10) do đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 thiết kế chế tạo với ba chức năng chủ yếu là:
- Tạo băng cản lửa, cách ly đám cháy theo công nghệ cô lập các đám cháy để chúng không lan truyền tới những khu rừng chưa bị cháy;
- Dập lửa các đám cháy bằng nguyên liệu tại chỗ là đất và không khí theo công nghệ tách ngọn lửa khỏi vật liệu cháy bằng sức gió và ngăn không khí tiếp xúc với vật cháy bằng mùn đất
- Dập tắt hoàn toàn đám cháy bằng nước theo nguyên tắc làm giảm nhiệt độ tại nguồn gây cháy
Hình 1.10: Xe chữa cháy rừng đa năng
1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xe chữa cháy rừng đa năng a Cấu tạo của xe chữa cháy rừng đa năng Để thực hiện các chức năng nói trên xe chữa cháy rừng đa năng được thiết kế, chế tạo và cải tiến từ xe Ural – 4320 tại nhà máy cơ khí Mê-công (Đông Anh –
Hà Nội), trong đó đã lắp đặt thêm một số thiết bị chuyên dùng sau (hình 1.11):
- Hệ thống cắt cây ở phía trước của xe;
- Hệ thống cắt đất ở phía sau, dưới sàn xe;
- Hệ thống làm sạch cỏ, rác ở phía sau xe;
- Thùng chứa nước trên thùng xe;
- Hệ thống phun nước gồm vòi phun và súng nước trện đính xe;
Hình 1.11: Cấu tạo 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 cỏ 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
Xe Ural – 4320 là loại xe tải việt dã đa năng 6x6 được sản xuất tại nhà máy ô tô Ural ở thành phố Minsk (Nga) cho quân đội Liên xô trước đây (hình 1.12) Loại xe này được thiết kế năm 1973, bắt đầu sản xuất vào năm 1976 và đến nay vẫn được tiếp tục chế tạo [39]
Ural – 4320 là loại xe tải phát triển từ loại xe Ural – 375D Ural – 4320 được trang bị động cơ diesel được lắp ở đầu xe
Hình 1.12: Xe Ural - 4320 Một số đặc tính kỹ thuật chủ yếu của xe Ural – 4320 [39]:
- Ural – 4320 có hai loại khác nhau được lắp động cơ diesel YamZ – 238M2 V-8 có công suất 240 mã lực hoặc YamZ – 236M2 V– 6 có 180 mã lực
- Trọng lượng xe: 15300kg / 14975kg
- Trọng tải: 6000kg/5000kg hoặc 27 ghế ngồi
- Trọng tải của rơ mooc: 11500kg
- Tốc độ tối đa: 82km/h; 75km/h
- Lốp xe: 14.00 – 20HC (PR)14 Có hệ thống tự động điều chỉnh áp suất
- Hộp số tự động 5 số, hộp phân phối 2 cấp khoá vi sai
- Giảm xóc trước kiểu nhíp treo, giảm xóc sau kiểu nhíp đòn gánh
Trong đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 đã cải tiến xe Ural – 4320 YamZ – 236V có công suất 180 mã lực, 3 cầu chủ động thành xe chữa cháy rừng đa năng Các hệ thống chuyên dụng lắp đặt trên xe có đặc điểm như sau [20];
Trên xe có lắp thêm téc nước phía sau ca bin Hai bên téc nước có các khoang đựng dụng cụ phụ trợ, ngoài ra phía trước xe còn lắp thêm thiết bị cắt cây bằng cưa đĩa, phía sau téc nước có chứa khoang bơm nước và thiết bị hút đất và quạt thổi Phía dưới khoang chứa bơm này còn có thiết bị đào, làm tới đất và thiết bị làm sạch cỏ rác Tất cả các thiết bị trên đều được dẫn động bằng động cơ thuỷ lực lắp tại các thiết bị đó Ngoài chức năng chữa cháy rừng bằng nước như thông thường mà xe còn có tác dụng chữa cháy rừng bằng đất Đây là loại xe chữa cháy rừng lần đầu tiên được chế tạo tại Việt Nam trên xe có lắp hệ thống phun nước với thùng chứa 5,1m 3 nước, lưu lượng bơm 10m 3 /h, chiều dài ống bơm nước 300m Hệ thống chữa cháy rừng bằng sức gió với lưu lượng quạt 110m 3 /phút, chiều dài ống thổi không khí 35m Hệ thống phun đất với lưu lượng 45kg/phút, chiều dài ống phun đất 35m Hệ thống làm băng cản lửa với tốc độ cắt cây, làm sạch cỏ rác tạo băng cản lửa là 8km/h, đường kính lớn nhất của cây mà máy có thể cắt được là 30cm b) 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 thuỷ lực (2), đĩa cưa (3) quay được nhờ động cơ thuỷ lực, chuyển động tịnh tiến ra phía trước nhờ xi lanh thuỷ lực và hệ thống ổ trượt, khi cắt cây xi lanh đẩy lưỡi cưa ăn vào gỗ
Hệ thống làm sạch cỏ rác được lắp sau xe bằng khớp quay, chuyển động nâng lên hạ xuống của hệ thống nhờ xi lanh thuỷ lực (9) Chuyển động quay của hệ thống cắt cỏ nhờ động cơ thuỷ lực Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc dạng búa
Hệ thống cắt đất được nâng lên, hạ xuống nhờ xi lanh thuỷ lực (8) và được lắp ở gầm xe, dao cắt đất của hệ thống hoạt động theo nguyên lý dạng búa Buồng hút đất (11) nối với thùng chứa đất (16) Đất được dao cắt đất 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 vòi phun nên đất theo vòi phun đất vào đám cháy
Bơm nước và thùng chứa nước lắp trên sàn xe, bơm nước hút nước 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 đám cháy sử dụng hệ thống cắt cây phía trước, hệ thống làm sạch cỏ rác phía sau để làm băng trắng cách ly, cô lập và khoanh vùng đám cháy Sử dụng hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất vào đám cháy rừng để dập lửa Ngoài ra còn sử dụng hệ thống phun nước trên xe để dập tắt đám cháy
1.2.2 Nghiên cứu sử dụng xe chữa cháy rừng đa năng
Sau khi chế tạo, xe CCR đã được nghiên cứu khảo nghiệm xác định các thông số kỹ thuật của tất cả các hệ thống đã lắp đặt trên xe Quá trình khảo nghiệm được tiến hành trong điều kiện thực tế tại một số khu rừng ở Tây nguyên và cho kết quả như trong bảng 1.1 [20]
Bảng 1.1: Kết quả khảo nghiệm các thông số cơ bản của xe CCR
TT Thông số kỹ thuât của xe CCR Đơn vị
A Thông số chung của thiết bị
1 Công suất xe ô tô mã lực 120-180 180
2 Tốc độ dập lửa m/ph ≥ 10 12
3 Chiều cao ngọn lửa được dập tắt M ≤ 8 9
4 Tốc độ di chuyển trên mặt đất rừng km/h 20-30 25
5 Độ dốc dọc thiết bị di chuyển được độ < 15 0 < 15 0
6 Độ dốc ngang thiết bị di chuyển được độ < 4 0 ≤ 5 0
1 Dung tích thùng chứa nước m 3 4-6 5,1
C Hệ thống chữa cháy bằng sức gió
1 Lưu lượng quạt gió M 3 /ph 100 104
2 Vận tốc không khí miệng ống thỏi m/s 60 65
3 Chiều dài ổng thổi không khí M 30-50 35
D Hệ thống phun đất cát
1 Khối lượng đất phun vào đám cháy Kg/ph 40-60 45
2 Chiều dài ống phun đất M 30-50 35
E Hệ thống làm băng cản lửa
1 Tốc độ làm sạch cỏ rác, tạo băng cản lửa km/h ≥ 1 10
2 Đường kính cây lớn nhất có thể cắt được Cm 20 25
Từ các kết quả đã có kết luận về khả năng hoạt động của xe CCR như sau:
- Hầu hết các thông số cơ bản đều đạt được giá trị đã xác lập;
- Ưu điểm nổi bật nhất của thiết bị này là khả năng tạo băng trắng để cô lập dám cháy rất nhanh, nên khả năng chữa cháy bằng phương pháp gián tiếp của xe là rất tốt (hình 1.13)
- Xe CCR sử dụng vật liệu tại chỗ là đất cát và không khí để dập tắt đám cháy rất hiệu nghiệm Thực tế đã chứng minh rằng với những đám cháy thực bì là cỏ, rác với chiều cao ngọn lửa không quá 3 mét và với loại thực bì cấp 2, cấp 3 thì hệ thống phun đất cát nhanh chóng dập tắt được, không cho cháy lan (hình 1.14)
- Với hệ thống chữa cháy bằng nước thì hoàn toàn có thể dập tắt được đám cháy lớn, cháy trên tán cây (hình 1.15) Tuy nhiên nguồn nước trên xe có hạn, nên khả năng của hệ thống này còn có nhiều hạn chế
Ghi chú: H.1.13 h.4.3 (trg32, B/cáo két quả khảo nghiệm , tập 18)
Hình 1.14: Hệ thống phun đất vào đám cháy rừng
Hình 1.15: Hệ thống chữa cháy rừng bằng phun nước trên xe
1.2.2 Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng
Xe chữa cháy rừng đa năng (hình 1.11) được thiết kế chế tạo trên cơ sở xe Ural - 4320 (Nga), trong đó có trang bị thêm các thiết bị chuyên dùng để phục vụ cho việc chữa cháy rừng Do đó các thông số cơ học của xe như tọa độ trong tâm, mô men quán tính đối với các trục tọa độ, đã thay đổi nhiều so với xe nguyên bản Ngoài ra khi thực hiện các chức năng đã nêu ở trên, xe thường xuyên phải chịu tác dụng của các lực kích đông thay đổi theo thời gian từ phía các đối tượng lao động
Do đó nó sẽ có những dao động rất phức tạp Cụ thể:
Một số kết quả nghiên cứu về dao đông của máy kéo và ghế ngồi người lái
Các máy kéo sử dụng trong sản xuất lâm nghiệp thường làm việc trong điều kiện không có đường hoặc trên các tuyến đường lâm nghiệp có độ mấp mô mặt đường lớn, nghĩa là hoạt động trong điều kiện không thuận lợi xét về mặt dao động
Do vậy ảnh hưởng xấu đến những chỉ tiêu sử dụng quan trọng của liên hợp máy như: Độ êm dịu, độ ổn định, độ bền lâu, sức khoẻ của người lái Vì vậy nghiên cứu dao động của máy kéo là vấn đề cần thiết có ý nghĩa trong thực tế sử dụng máy, thiết kế chế tạo, cải tiến liên hợp máy, đảm bảo điều kiện về an toàn lao động cho người và thiết bị
Trong công trình [30] khi nghiên cứu tải trọng kích động lên người lái máy kéo lâm nghiệp có cần bốc tác giả đã sử dụng mô hình toán học để nghiên cứu động lực học hệ: Máy lâm nghiệp - đối tượng lao động để xác định kích động lên người điều khiển Mô hình được nghiên cứu theo phương pháp hệ nhiều khối lượng (môi trường - con người - máy - đối tượng lao động), mô hình được chia ra 2 hệ con: Máy - gỗ và hệ một khối lượng là người lái Việc giải bài toán đặt ra 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Nghiên cứu dao động của hệ máy kéo - gỗ với mô hình tính toán dao động hệ nhiều bậc tự do chịu tác động của lực kích thích do độ mấp mô mặt đường, nhằm xác định các đặc trưng dao động của khung máy kéo tại vị trí đặt ghế ngồi
- Giai đoạn 2: Nghiên cứu dao động của ghế ngồi với mô hình dao động của hệ một bậc tự do, chịu tác động kích thích từ khung máy lên ghế ngồi Ở trong nước, nghiên cứu dao động của các cơ hệ nói chung được công bố trong các công trình của Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Văn Khang [12], công trình này đã đưa ra cơ sở lý thuyết cơ bản về phương trình vi phân chuyển động và các phương pháp tính toán dao động của các cơ hệ
Công trình nghiên cứu của Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Hữu Cẩn và các cộng sự
[2, 3] cho thấy tính êm dịu trong chuyển động của ôtô, 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, ôtô, máy kéo dao động theo các phương: Thẳng đứng (OZ), phương ngang (OX), phương dọc (OY), các dao động theo phương thẳng đứng ảnh hưởng chính đến con người, theo phương ngang, theo phương dọc ảnh hưởng không đáng kế nên có thể bỏ qua Đối với máy kéo bánh bơm làm việc trên các mặt đường gồ ghề, thân máy dao động với tần số là 160 - 240 dao động/ phút, vượt quá mức độ chịu đựng của con người, nên với máy kéo bánh bơm phải chú ý giải quyết vấn đề treo cho ghế ngồi để đảm bảo điều kiện cho người lái Tác giả cũng đưa ra sơ đồ tính toán hệ thống treo cho ghế ngồi với dạng kích động động lực và cho rằng khi tính toán, thiết kế hệ thống treo cho ghế nên chọn tỉ số giữa tần số kích động và tần số dao động riêng của ghế trong khoảng 0,5 - 0,6 Trong tính toán chưa kể đến thành phần cản
Trong công trình nghiên cứu [22], tác giả đã đưa ra mô hình tính toán giảm xóc nói chung và cho rằng: Hệ số truyền càng nhỏ, chất lượng bộ giảm xóc càng tốt, muốn vậy nên chọn tỉ số giữa tần số kích động và tần số riêng của vật cần bảo vệ là 1,41, chọn như vậy vừa đảm bảo tránh cộng hưởng vừa giảm được biên độ dao động cho người lái, hiệu quả giảm xóc tốt hơn Đề tài 58A - 02 - 04 tác giả đã nghiên cứu chế tạo thành công hai mẫu ghế ngồi lái giảm rung áp dụng cho loại máy kéo MTZ - 50 và máy kéo BS - 12 khi vận chuyển Hệ giảm sóc của các ghế này là hệ đàn hồi hỗn hợp gồm hệ thống lò xo và vật liệu hấp thụ rung (đệm mút), hiệu quả giảm rung đạt
67 - 82% Một số công trình nghiên cứu, thiết kế ghế giảm rung [1], [16], đã dựa trên cơ sở các số liệu về dao động của con người, chọn sơ bộ các thông số chủ yếu: Khối lượng người - ghế, độ cứng lò xo, hệ số cản nhớt và tính toán theo điều kiện cho phép về biên độ dịch chuyển
Tác giả Nguyễn Văn Vệ trong công trình [24] đã nghiên cứu dao động thẳng đứng của ghế ngồi trên máy kéo DFH - 180 khi vận xuất gỗ và giải pháp giảm sóc cho người lái
Tác giả Nông Văn Vìn trong công trình [23] đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo ghế ngồi cân bằng cho người điều khiển máy kéo bánh hơi có rơ móc một trục khi vận chuyển gỗ
Tác giả Bùi Trung Nguyên [17] đã nghiên cứu dao động của ghế ngồi người lái trên máy kéo nông nghiệp Shibaura khi kéo rơ mooc vận chuyển gỗ.
Tình hình nghiên cứu về chống rung cho người điều khiển máy
Ngày nay cùng với đà phát triển của kỹ thuật việc nghiên cứu thiết kế, cải tiến ô tô, máy kéo nói chung đều theo hướng tăng vận tốc làm việc của chúng Cùng với sự nâng cao tốc độ làm việc của các liên hợp máy sẽ dẫn đến tăng đáng kể lực kích động lên người điều khiển và cao hơn mức chịu đựng của con người Công trình nghiên cứu [38] cho thấy: Người điều khiển máy không thể sử dụng được tối đa tốc độ của máy trong miền giới hạn của nó, nghĩa là không phát huy được hết công suất theo thiết kế, một trong những nguyên nhân chính là do mức độ kích động tác động đáng kể lên ghế ngồi của người lái Ở Mỹ trên 85% người lái máy kéo do ảnh hưởng của lực kích động chỉ sử dụng được 65% công suất của máy
Dao động của cơ thể con người hoặc một bộ phận của cơ thể là những tác động sinh học phức tạp chúng có thể gây ra một loạt các thay đổi trong cơ thể và ảnh đến sức khoẻ của người lái, gây ra các bệnh lý
Tác động của dao động lên con người phụ thuộc vào tần số, thời gian, hướng và cường độ tác động Sự kích thích nguy hiểm nhất ở giải tần số dao động riêng của cơ thể con người Cũng theo [16] thì tần số từ 6 - 11 Hz sẽ dẫn đến cộng hưởng ở một số bộ phận của cơ thể riêng biệt của con người, dải tần số từ 11 - 45Hz có thể dẫn đến sự phân tán các chức năng của hàng loạt bộ phận bên trong, làm giảm tầm nhìn, giảm tính linh hoạt trong các hoạt động điều khiển máy Nếu dao động tác động lên người lái trong thời gian 1 ngày và liên tục từ năm này sang năm khác thì không chỉ làm giảm năng suất lao động mà còn làm xuất hiện các bệnh nghề nghiệp
Mức độ ảnh hưởng của dao động đến cơ thể con người lần đầu tiên được nghiên cứu theo quan điểm về sự thoải mái và thuận tiện cho người điều khiển tàu hoả và ôtô Vấn đề này được đưa ra với nội dung về tính êm dịu chuyển động của ô tô, máy kéo, mà chúng được đánh giá bằng các chỉ tiêu như: tần số dao động, gia tốc dao động và độ êm dịu [13]
Tần số dao động (f) của một hệ dao động là số dao động toàn phần trong một giây, đơn vị là Hertz (1dao động/s= 1 Hz)
Gia tốc dao động (z ’’ ) là gia tốc dịch chuyển của hệ dao động (m/s 2 ), nó kể đến ảnh hưởng đồng thời của biên độ và tần số dao động Độ êm dịu chuyển động được đánh giá theo hệ số độ êm dịu K Hệ số K phụ thuộc vào tần số dao động (f ) và gia tốc dao động (z ’’ ), khi f < 5 Hz; hoặc phụ thuộc vận tốc (z ’ )- khi f > 5 Hz
Hệ số K xác định theo trị số của biên độ gia tốc /z ’’ /, hoặc theo gia tốc bình phương trung bình /zc ’’ /, theo biểu thức sau : z c f f
Để xác định K ta phải tính được z ’’ và zc ’’
Hệ số K càng nhỏ thì càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu của ô tô, máy kéo càng cao Giá trị K=0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích Khi đi lâu trên xe cho phép K, còn khi đi ngắn hoặc trên xe tự hành K= 25—63 Ở Việt Nam qua một số nghiên cứu cho thấy đối với các ô tô, máy kéo nhập từ nước ngoài, hệ thống giảm xóc cho ghế đã được tính toán từ khi thiết kế, tuy nhiên các thông số thiết kế được tính toán theo tiêu chuẩn của người nước ngoài Do có sự khác nhau về hằng số nhân trắc, chỉ tiêu tâm sinh lý giữa người Việt Nam và người nước ngoài, nên khi sử dụng hiệu quả giảm rung thực tế bị thay đổi, không còn phù hợp và đáp ứng được yêu cầu đối với người Việt Nam [16], [29] Đối với một số máy, khi thay đổi điều kiện làm việc thì tác động kích động lên người lái cũng sẽ thay đổi, vì vậy vần phải khảo nghiệm tính toán cải tiến hệ thống giảm xóc cho ghế ngồi lái theo từng điều kiện làm việc cụ thể
Một số nghiên cứu về chống rung đối với người Việt Nam đã được công bố trong công trình của Triệu Quốc Lộc [16] về dao động trong bảo hộ lao động; Nguyễn Văn Khang, Đỗ Sanh [13] - về ngăn chặn rung động trên đường lan truyền đối với công nhân lái máy kéo và công nhân của các gian chế biến lâm sản; Lê Thanh Thủy [22]- Thiết kế ghế giảm rung cho máy kéo
Nhìn chung các công trình nghiên cứu về chống rung theo 3 hướng: Nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu ứng dụng Các công trình nghiên cứu đã đưa ra cơ sở lý thuyết của kỹ thuật chống rung, các phương pháp đo đạc, tính toán, đánh giá Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm, người ta đã tiến hành xây dựng các tiêu chuẩn, định mức rung cho phép đối với cơ thể con người (phụ lục 01)
Trong công trình nghiên cứu của trung tâm giám định máy móc, thiết bị cơ điện nông nghiệp về hệ thống các tiêu chuẩn khảo nghiệm, giám định chất lượng máy kéo, máy canh tác dùng trong sản xuất nông - lâm nghiệp [40], đã đưa ra phương pháp khảo nghiệm xác định dao động của ghế ngồi lái máy kéo và chỉ tiêu an toàn đối với điều kiện làm việc của người lái máy kéo là gia tốc dao động, vận tốc dao động ứng với các tần số dao động của ghế người lái theo tiêu chuẩn quốc gia (TCVN)
Nhìn chung các công trình nghiên cứu chưa nhiều, nhưng kết quả nghiên cứu có ý nghĩa rất lớn đối với một số ngành sản xuất ở nước ta
Riêng với xe chữa cháy rừng đa năng đến nay vẫn chưa có công trình nào nghiên cứu về điều kiện làm việc của người điều khiển Để bổ xung vào nội dung nghiên cứu dao động của xe CCR, chúng tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu dao động ghế ngồi người lái trên xe CCR khi làm việc”.
Mục tiêu nghiên cứu
Từ mục tiêu chung đã nêu trong phần mở đầu, đề tài còn xác định hai mục tiêu cụ thể sau:
- Tìm các đặc trưng dao động của ghế ngồi trên xe CCR Từ đó đánh giá ảnh hưởng của dao động này đến điều kiện làm việc của người lái
- Xác định các thông số của hệ giảm xóc cho ghế ngồi người lái trên xe CCR để đảm bảo các chỉ tiêu an toàn cho người điều khiển theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5126 - 90).
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là xe chữa cháy rừng đã được chế tạo trong đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 (hình 1,11), khi di chuyển trên mặt đất rừng tự nhiên để tạo băng cản lửa
* Các thông số kỹ thuật cơ bản của liên hợp máy (LHM) được ghi ở bảng 2.1
- Hệ thống chặt hạ cây: đĩa cưa – 4 đĩa; đường kính đĩa cưa – 500mm Tốc độ quay của đĩa cưa – 3000 Vòng/phút; trọng lượng của hệ thống – 300 kg
- Hệ thống cắt đất: đường kính đĩa thép - 300 mm; số đĩa thép - 2 đĩa; số dao cắt - 4 dao; chiều dài dao cắt -170 mm; chiều rộng lưỡi dao cắt - 50 mm; số vòng quay của đĩa thép - 1200 v/p; trọng lượng của dao - 0,5 kg; trọng lượng của toàn bộ hệ thống cắt đất -
- Hệ thống làm sạch cỏ rác: đường kính trống dao – 450 mm; số đĩa thép – 10 đĩa; số dao cắt – 20 dao; chiều dài dao cắt – 120 mm; chiều rộng lưỡi dao cắt – 50 mm; số vòng quay của đĩa thép – 1000 v/ph; trọng lượng của dao – 0,3 kg; trọng lượng của toàn bộ hệ thống làm sạch cỏ rác – 600 kg
Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của xe chữa cháy rừng đa năng
TT Đặc tính kỹ thuật của xe Đơn vị Chỉ tiêu kỹ thuật
1 Công suất động cơ kW 132
2 Mô men xoắn cực đại N.m 667
3 Số cầu chủ động cầu 03
4 Dung tích bồn chứa nước m 3 5,1
5 Lưu lượng máy bơm nước lít/phút 400
6 Áp lực bơm tối đa N/cm 2 150
7 Chiều dài ống bơm nước m 100
8 Lưu lượng bơm khí m 3 /phút 600
9 Áp lực bơm tối đa bơm khí N/cm 2 68
10 Công suất cắt đất kW 8
11 Vận tốc dao cắt đất m/s 80
12 Khối lượng đất cát phun m 3 /phút 0,1
13 Chiều dài ống phun đất cát m 40
14 Chiều rộng băng cắt thực bì m 2
15 Vận tốc dao cắt thực bì m/s 25
16 Đường kính đĩa cắt cây mm 500
17 Số vòng quay đĩa cắt cây vòng/phút 3200
18 Công suất chặt cây, cắt cây bụi kW 8
19 Tốc độ dập lửa m/phút > 10
20 Chiều cao ngọn lửa dập được m ≤ 10
21 Độ dốc xe di chuyển được độ ≤ 15
22 Tốc độ cắt cây, cắt thực bì km/h > 1,5 Để giải bài toán dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi làm việc trên mặt đất rừng cần xác định các thông số đầu vào của mô hình Việc xác định các thông số đó có thể được tiến hành bằng lý thuyết, thực nghiệm hay thừa kế kết quả nghiên cứu của một số công trình trước đó Nội dung này được trình bày cụ thể ở chương sau.
Nội dung nghiên cứu
- Xây dựng mô hình tính toán dao động của ghế ngồi người lái trên xe CCR khi tạo băng cản lửa có tính đến ảnh hưởng của sự mấp mô mặt đường và kích động động lực từ hệ thống phay cỏ rác
- Giải hệ PTVP dao động, khảo sát các thành phần dao đông của trọng tâm xe và điểm đặt ghế ngồi
- Xác định các giá trị tần số ω và gia tốc z ,, của ghế ngồi làm cơ sở đánh giá ảnh hưởng của dao động đó đến người lái và phương án thiết kế, cải tiến ghế ngồi (Xác định các thông số của hệ giảm xóc lắp cho ghế)
Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là kiểm chứng kết quả tính toán dao động của ghế ngồi người lái theo mô hình lý thuyết
Nội dung thực nghiêm là đo tần số và biên độ gia tốc rung tại vị trí đặt ghế ngồi Đối chiếu với kết quả tính toán lý thuyết để đưa ra kết luận về tính chính xác của mô hình dao động đã lập được.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Sử dụng phương pháp cơ học giải tích để xây dựng mô hình dao động của xe CCR và của ghế ngồi Việc giải phương trình vi phân dao động của ghế được tiến hành bằng phương pháp giải tích kết hợp với phần mềm Maple 10 và phần mềm Matlab-Simulink
Trên cơ sở tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5126 - 90 "Rung giá trị cho phép tại chỗ làm việc", đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động đến sự an toàn cho người lái xe, đồng thời thiết lập biểu thức xác định các thông số về độ cứng lò xo và hệ số giảm chấn thuỷ lực của ghế ngồi
2.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Các nội dung thực nghiệm được tiến hành bằng phương pháp đo các đại lượng không điện bằng điện với việc dùng thiết bị DMC Plus và phần mềm DMC Laplus để xác định gia tốc dao động thẳng đứng của xe chữa cháy rừng đa năng khi làm việc trên mặt đất rừng
Phân tích kết quả thực nghiệm để so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết, làm cơ sở để đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của xe chữa cháy rừng đa năng.
Xác định các đặc trưng của các nguồn kích động
3.1.1 Xác định hàm kích động động học từ mặt đất rừng
Dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi làm việc trên mặt đất rừng do rất nhiều yếu tố gây nên, trong đó kích động động học của mấp mô mặt đất rừng lên các bánh xe là yếu tố cơ bản và quyết định tới quá trình làm việc của xe Vì vậy mấp mô mặt đất rừng là yếu tố đầu vào hết sức quan trọng khi nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi tạo băng cản lửa Để nghiên cứu dao động của xe CCR, việc điều tra khảo sát, phân loại các dạng mặt đất rừng mà xe di chuyển trên đó là vấn đề cần thiết
Do thời gian có hạn và việc khảo sát dạng mấp mô mặt đất rừng chưa thực hiện được ở nhiều địa điểm, nên trong đề tài này chúng tôi dùng kết quả xác định dạng mặt đất rừng của TS Nguyễn Tiến Đạt [4] để khảo sát dao động của xe CCR với hàm kích động của mặt đất rừng là:
Trong đó h0- biên độ mấp mô (m); s0- bước sóng (m); v - vận tốc di chuyển của xe (m/s)
3.1.2 Xác định các đặc trưng kích động động lực a Xung lực của hệ thống cắt cây bụi
Hệ thộng cắt cây bụi gồm các lưỡi cưa đĩa bố trí ở phía trước của xe (hình 3.1) Động cơ thủy lực truyền chuyển động quay cho đĩa cưa thông qua bộ truyền dây đai Khi xe CCR di chuyển các đĩa cưa chạm vào thân cây bụi, quá trình cắt được thực hiện Do số răng trên mỗi đĩa cưa lớn (z = 60) và đĩa quay với tốc độ rất cao (n = 3000 v/p) nên xung lực cắt từ cây bụi lên đĩa cưa thay đổi với chu kỳ rất nhỏ, gần như một hằng số theo thời gian Ngoài ra xung lực này tác dụng vào hệ thống cắt theo phương nằm ngang Theo kết quả phân tích, đánh giá của Th.s Đặng Thị Tố Loan [15] thì xung lực này không gây ra dao động đáng kể cho hệ thống cắt cây bụi ở phía trước xe
Do đó để lập mô hình dao động của xe CCR trong mặt phẳng thẳng đứng dọc ta có thể bỏ qua tác dụng của xung lực nói trên b Xung lực của hệ thống phay cỏ rác
Hệ thống phay cỏ rác được đặt ở phía sau xe, gồm 20 đĩa, mỗi đĩa có 2 dao, cắt cây bụi theo nguyên lý va đập (dạng búa)
Theo tính toán trong đề tài cấp nhà nước – Báo cáo kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 (Tr.240) [20] - thì lực tác dụng lên lưỡi phay trong quá trình cắt có giá trị lớn nhất bằng: Fc = 790,4 (N)
Lực tác dụng lên trục các đĩa cắt theo phương thẳng đứng (OZ) và phương ngang (OX) là:
Trong đó φ- góc giữa thân dao với phương thẳng đứng tại vị trí va đập, giả thiết φ= 44 0
Nhưng các lực Fz và Fx tác dụng lên trục thay đổi theo thời gian với chu kì tương ứng với số vòng quay của trục các đĩa phay
Hàm xung Fz và Fx có thể biểu diễn theo thời gian t dưới dạng chuỗi Fourier như sau [12]: 2 )
Do mỗi vòng quay của trục có 2 lần dao va đập nên chu kỳ va đập và tần số va đập sẽ là: n
Với n – là số vòng quay của trục các đĩa cắt (v/ph )
Trong đó số vòng quay của trục đĩa phay (n), được xác định tương ứng với vận tốc di chuyển của xe (Vm) để khả năng dập nát hết cỏ và cây bụi theo biểu thức [20]:
ở đây vm – vận tốc di chuyển của xe khi tạo băng cản lửa; λ – chỉ số động học của máy phay, theo thiết kế λ= 2,5; R- bán kính trống phay, R= 125 mm [20]
Thay Ω=2ω= 40.vm; Tck = π/ ω= π/20vm và Fx = 558,9 (N) vào biểu thức (3.3) ta có:
Dao động của xe chữa cháy rừng khi làm băng cản lửa
3.2.1 Lập mô hình tính toán dao động của xe CCR khi tạo băng cản lửa
Dao động của xe CCR khi di chuyển trên mặt đất rừng để tạo băng cản lửa là dao động phức tạp do hai nguồn kích động – kích động động học từ độ mấp mô mặt đất rừng và kích động động lực của các xung lực tác dụng vào hệ thống phay cỏ rác
Mô hình tính toán dao động trong mặt phẳng thẳng đứng dọc qua trục đối xứng của xe được biểu diễn trên hình 3.1b)
Hình 3.1:Mô hình dao động của xe CCR đa năng trong mặt phẳng đối xứng dọc oxz
Các ký hiệu trong mô hình:
A, B, D – Vị trí các gối đỡ trên khung xe tương ứng với cặp bánh trước, bánh sau và cơ cấu làm sạch cỏ;
E - cơ cấu cắt cây bụi,
O – Trọng tâm phần được treo của xe;
C – Chốt xoay cặp bánh sau; l1, l2, l3 – Khoảng cách theo phương dọc từ trọng tâm O đến các điểm A, B, D; L- Chiều dài tay quay của các trục bánh xe sau - từ tâm các bánh xe đến chốt xoay C;
Z0, ZA, ZB, ZD – Chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm xe và của các vị trí gối đỡ A, B, D;
Z1, Z2, Z3, Z4 – chuyển vị thẳng đứng của tâm cầu trước, cầu sau và cơ cấu làm sạch cỏ; α0, α – Chuyển vị góc của thân xe và của nhíp cầu sau trong mặt phẳng thẳng đứng dọc Oxz; h1, h2, h3 – Độ cao mấp mô mặt đường tại vị trí tiếp xúc với các bánh xe; c1, c2, c3, c4- Hệ số độ cứng của các cặp bánh xe 1, 2, 3 và cơ cấu treo hệ thống làm sạch cỏ, rác; cn1, cn2 - Hệ số độ cứng của các nhíp cầu trục trước và nhíp trục sau: 1, 2; k1, k2, k3, k4 – Hệ số giảm chấn của bánh lốp trươc, các bánh sau và cơ cấu treo hệ thống làm sạch cỏ, rác; kn1 - Hệ số giảm chấn của nhíp trươc; m0, m1, m2, m3, m4 – khối lượng thu gọn của thân xe, các cặp bánh 1, 2, 3 và của hệ thống làm sạch cỏ, rác;
J0y – Mô men quán tính của thân xe đối với trục OY; δ1, δ2, δ3 , δ4– Biến dạng của các bánh lốp 1, 2, 3 và của cơ cấu treo hệ thống làm sạch cỏ, rác; δn1, δn2 , δn3 – Biến dạng của các nhíp cầu trước và cầu sau
Các quan hệ hình học
ZD= z0+l3.sinαo; zC= zB – hBC;
Với giả thiết dao động quanh vị trí cân bằng tĩnh là nhỏ có thể coi gẩn đúng: Sin αi ≈ αi , cos αi ≈1 , ta có: zA= z0+l1.α0 ; z2= zC-L.α ; zB= z0-l2.α0 ; z3= zC+L.α ; (3.5) zD= z0- (l2+ l3).α0 ; zC = zB - hBC ;
3.2.2 Lập phương trình vi phân dao động (PTVP) của xe CCR a) Các giả thiết Để lập PTVP dao động cho xe CCR khi tạo băng cản lửa chúng tôi công nhận một số giả thiết như sau:
- Phần được treo gồm thân xe và các thiết bị đặt trên đó được coi là vật rắn tuyệt đối, có khối kượng m0 đặt tại trọng tâm của xe (điểm 0 trên hình 3.1b)
- Téc nước có thể tích rất lớn (5,1 m3), nhưng có nhiều vách ngăn nên nước chỉ có thể di chuyển nhỏ trong từng ngăn, toạ độ trọng tâm của cả khối nước thay đổi không đáng kể khi xe dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng tĩnh
- Các bánh hơi của xe có độ cứng không đổi và làm việc trong giai đoạn tuyến tính
- Biến dạng của mặt đất tại điểm tiếp xúc với bánh xe là nhỏ, độ cứng của nền đất rất lớn, nên độ cứng tương đương sấp xỉ bằng độ cứng của bánh hơi; ctđ cbx
- Vận tốc di chuyển của xe trong quá trình tạo băng cản lửa nhỏ và là một hằng số: vm = const
- Liên kết giữa bánh xe với mặt đất là liên kết giữ, dừng và hôlônôm
-Bỏ qua sức cản không khí và ma sát tại các ổ trục, các khớp quay
- Dao động của xe được xét quanh vị trí cân bằng tĩnh
Với các giả thiết trên thì mô hình dao động của xe trong mặt phẳng thẳng đứng dọc (h.3.1b) là một cơ hệ gồm 5 khối lượng quán tính (m0, m1, m2, m3 và m4 ).Tương ứng có 15 thông số định vị: xi, zi, αi (i = 0, 1, 2, 4) Trong đó có 8 liên kết là: x0 = xi =vt, (i = 1, 2, 3, 4 Vì giả thiết xe chuyển động đều theo phương x); α1= 0, (i = 1, 2, 3, 4 Vì giả thiết xe chuyển động đều theo phương x);
Vậy hệ có 7 toạ độ suy rông đủ, chúng được chọn là các dịch chuyển: x0, z0 , α0 - dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc của thân xe ; z1, z2, z3, z4 - dịch chuyển thẳng đứng của trọng tâm cầu trước, cầu sau xe và cơ cấu phay cỏ rác; b) Các biến dạng đàn hồi δ1= z1 – h1 ; δ2= z2 – h2 ; δ3= z3 – h3 ; (3.6) δ4= zD – z4 = z0 - (l2+l3).αo –z4 ; δn1= zA– z1 = z0 + l1.α0 - z1; δn2= zC – z2 = z0 – l2.α0 - z2 - hBC; δn3= zC – z3 = z0 – l2.α0 - z3 - hBC c) Lập PTVP của xe Để lập PTVP dao động của hệ quanh vị trí cân bằng tĩnh ta áp dụng phương trình Lagrangio loại 2: i * i i i i q Q q q
T – Động năng của hệ; П – thế năng của hệ ; Ф – hàm hao tán; Q * -lực suy rông không có thế Với hệ đang xét có mô hình tính toán như hình (3.1) ta có:
* Biểu thức động năng của hệ:
* Biểu thức thế năng của hệ:
* Biểu thức hàm hao tán:
* Lực suy rộng không thế: tính theo các biểu thức (3.4)
Sau khi đạo hàm các biểu thức (3.8) ÷ (3.10) và thay vào PT Lagrăngiơ loại
2 (3.7), ta nhận được hệ phương trình vi phân:
Trong đó các hệ số là những đại lượng được ghi trong bảng 3.1.
Dao động của điểm đặt ghế ngồi trên xe
Gọi khoảng cách từ trọng tâm xe đến điểm đặt ghế ngồi là lgh (hình 3.1b), ta thấy dịch chuyển theo phương thẳng đứng của điểm đặt ghế ngồi trên xe có thể tính theo dịch chuyển của trọng tâm xe như sau:
Từ đây suy ra vận tôc và gia tốc dao động tại điểm đặt ghế là:
3.3.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến dao động của điểm đặt ghế ngồi
Theo kết quả của mục 3.1.1 ở trên, nếu chấp nhận dạng mặt đất theo quy luật điều hoà : 0
, thì các đại lượng ở vế phải của hệ (3.11) sẽ là:
Từ hệ PTVP dao động (3.11) và (3.12) ta thấy dao động của xe và của ghế ngồi người lái không chỉ phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật (kích thước hình học, độ cứng các bánh xe, khối lượng và mô men quán tính của thân xe), mà còn chịu ảnh hưởng của dạng mấp mô mặt đất hi (h0 & s0 ) và vận tốc di chuyển của xe (v)
Kết quả xác định các thông số đầu vào của mô hình dao động được trình bày trong bảng 3.1
Bảng 3.1: Các thông số đầu vào của mô hình dao động
TT Thông số Đơn vị đo Giá trị
1 M: Khối lượng của toàn bộ xe: - không chứa nước
2 m0: Khối lượng được treo của xe đặt tại trọng tâm xe
3 m1: Khối lượng cầu trước, cả trục và các bánh xe [31] kg 848,2
4 m2: Khối lượng cầu giữa, cả trục và các bánh xe [31] kg 825,2
5 m3 : Khối lượng cầu sau, cả trục và các bánh xe [31] kg 825,2
6 m4 : Khối lượng của cơ cấu phay cỏ, rác [21] kg 200
7 J0: Mô men quán tính của xe theo trục OY [21] kg.m 2 56212
8 c1, c2, c3: Độ cứng quy đổi của các cặp bánh xe (2 bánh) N/m 1060000
9 c4 : Độ cứng của cơ cấu treo hệ thống phay cỏ rác N/m 12000
10 cn1: Độ cứng quy đổi của cặp nhíp trước [21] N/m 600000
11 cn2, cn3: Độ cứng quy đổi của cặp nhíp sau [21] N/m 808000
12 k1, k2, k3: Hệ số cản giảm chấn quy đổi của cặp lốp trước, lốp giữa và lốp sau
13 kn1: Hệ số cản giảm chấn quy đổi của cặp giảm xóc cầu trước
14 k4: Hệ số cản giảm chấn của cơ cấu treo hệ thống phay cỏ rác
15 l1: Khoảng cách nằm ngang từ trọng tâm O của xe tới tâm cầu trước m 2,79
16 l2: Khoảng cách nằm ngang từ trọng tâm O của xe tới điểm xoay nhíp cầu sau m 1,46
17 L: Khoảng cách điểm xoay nhíp sau C đến tâm cầu sau m 0,7
18 l3: Khoảng cách điểm xoay nhíp sau C đến điểm treo cơ cấu phay cỏ rác m 1,05
19 lgh: Khoảng cách nằm ngang từ trọng tâm O của xe tới điểm đặt ghế ngồi m 0,75
3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc di chuyển của xe
Giải hệ PTVP (3.11) và (3.12) bằng phần mềm Matlab với các độ cao mấp mô mặt đất rừng trung bình (h0=0,3 m; s0=0,8m), theo một số giá trị vận tốc di chuyển của xe ta nhận được kết quả như sau (phụ lục 2):
1/ Sơ đồ khối giải hệ phương trình trên phần mềm Matlab – Simulink
Hình 3.2: Sơ đồ khối giải hệ phương trình(3.11)&(3.12)
2/ Kết quả khảo sát dao động điểm dặt ghế ngồi với các giá trị vận tốc khác nhau - (hình 3.3 3.6)
Hình 3.3: Khảo sát với v = 1.389 m/s (5 km/h)
Hình 3.4: Khảo sát với v = 2.222 m/s (8 km/h)
Hình 3.5: Khảo sát với v = 3.333 m/s (10 km/h)
Hình 3.6: Khảo sát với v = 4.166 m/s (15 km/h)
Tổng hợp kết quả khảo sát- bảng 3,2
Bảng 3.2: Các đặc trưng dao động của điểm đặt ghế ngồi trên xe CCR
Tấn số dao động f (Hz)
3.4 Đánh giá ảnh hưởng của dao động đến người lái
3.4.1 Cơ sở để đánh giá
Theo [2] tính êm dịu của ô tô, máy kéo trong quá trình làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng của xe - máy Nó ảnh hưởng đến sức khoẻ của người lái cũng như độ bền của các chi tiết máy Độ êm dịu chuyển động của xe máy được đánh giá qua một số chỉ tiêu: Tần số dao động thích hợp, gia tốc dao động thích hợp và thời gian tác động của dao động
Tần số dao động thích hợp đối với người sử dụng và điều khiển thiết bị nằm trong khoảng 60 - 85 lần/ phút tương đương với 1,08 - 1,41 lần/ giây Trong thực tế thiết kế hệ thống treo người ta thường lấy giá trị tần số dao động từ 85 - 120 dao động/ phút đối với xe tải, tương đương với 1,41 - 2 dao động/ giây
Theo [16] về mặt phản ứng của cơ thể người với các dao động cơ học thì cơ thể là một hệ cơ học có tần số dao động riêng (ở tư thế đứng và ngồi) nằm trong khoảng từ 4 - 6; 10 - 12; 20 - 25 Hz Nếu toàn thân dao động với tần số dưới 1Hz thì các cơ quan nội tại không xê dịch tương đối với thân người, tuy có khó chịu nhưng không gây ra bệnh do rung động Khi rung động toàn thân có tần số ở vùng 1 - 20
Hz gây ra hiện tượng cộng hưởng dao động Khi tần số rung động xấp xỉ tần số dao động riêng của thân người hay của một số cơ quan nội tại thì các cảm giác khó chịu tăng lên rõ rệt Để đảm bảo sức khoẻ cho người điều khiển phương tiện căn cứ vào đặc điểm về chỉ tiêu tâm, sinh lý của người Việt Nam, nhà nước đã ban hành tiêu chuẩn TCVN 5126 - 90 "Rung - giá trị cho phép tại chỗ làm việc (Phụ lục số
Tiêu chuẩn TCVN 5126 - 90 áp dụng cho rung tác động lên cơ thể con người tại chỗ làm việc, trong dải tần từ 0,7 đến 90 Hz và qui định giá trị rung cho phép Tiêu chuẩn này không áp dụng cho rung tác động lên cơ thể con người trong các phương tiện vận tải đường sắt, đường thuỷ, đường không Giá trị rung cho phép trong tiêu chuẩn TCVN 5126 - 90 được quy định theo 3 phương của hệ trục toạ độ vuông góc X,Y, Z gắn liền với cơ thể con người, quy ước như sau:
Z: Trục thẳng đứng, vuông góc với mặt đất và hướng từ chân lên đầu;
X: Trục nằm ngang, hướng từ lưng ra ngực;
Y: Trục nằm ngang, hướng từ vai phải sang vai trái
Các dao động theo các phương trên đều ảnh hưởng đến con người, song mức độ ảnh hưởng có khác nhau Nhiều thí nghiệm cho thấy các dao động theo phương
Z gây ra nhiều phản ứng trong cơ thể con người, dao động theo phương X, Y có tác động không đáng kể nên có thể bỏ qua [10]
Thời gian tác động của dao động lên cơ thể con người, đặc biệt là người lái, ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ và năng suất lao động Qua nghiên cứu TCVN 5126 -
90 chúng tôi thấy: đối với người điều khiển xe CCR di chuyển trên đường lâm nghiệp được phân loại là rung loại 1 Trong đó, giá trị rung cho phép của rung loại 1 với thời gian tác động 480 phút khi dùng nguyên tắc phân tích tần số theo bảng 3.3
Quan hệ giữa thời gian tác động rung và giá trị rung cho phép khi thời gian này không vượt quá 480 phút được xác định theo công thức 3.13, (Theo TCVN
Trong đó: U T : Mức cho phép khi làm việc trong T phút;
U 480 : Mức rung đối với thời gian 480 phút;
T : Thời gian tiếp xúc với rung trong ngày (phút)
Bảng 3.3 Giá trị cho phép của rung loại 1 với thời gian tác động 480 phút Tần số trung bình nhân của dải, Hz
Giá trị cho phép của thông số chuẩn Theo gia tốc m/s 2 Theo vận tốc m/s.10 -2 Phương Z Phương X, Y Phương Z Phương X, Y
63 4,49 12,76 1,10 3,20 Để đánh giá mức độ ảnh hưởng dao động của xe đến người điều khiển trong quá trình tạo băng cản lửa cần phải xác định được tần số dao động, gia tốc dao động và thời gian tác động của dao động đến người lái trong một ca làm việc
3.4.2 Xác định các thông số dao động tác động lên người lái khi vận xuất
3.4.2.1 Tần số dao động f (Hz)
Từ các biểu đồ dao động (hình 3.3,…3.6) và bảng 3.2, chúng tôi thấy tần số dao động kích động lên ghế ngồi người lái khi xe CCR di chuyển trên đường lâm nghiệp có các giá trị ứng với 4 chế độ vận tốc di chuyển là:
Trong đó: f - Tần số dao động, (Hz)
3.4.2.2 Thời gian tác động của dao động Đối với xe CCR khi tạo băng cản lửa thời gian làm việc trong một ngày thường từ 6 - 8 tiếng Tuy nhiên không phải toàn bộ thời gian này xe di chuyển trên mặt đường, thực tế cho thấy khi xe khoanh vùng các đám cháy thường chỉ phải di chuyển trên những đoạn đường từ 3 đến 4 km Do vậy thời gian tác động liên tục của dao động ở dải tần số từ 2 5 Hz được tính trong khoảng 30-60 phút, trung bình T@ ph
3.4.2.3 Vận tốc và gia tốc rung tác động lên người lái
Kết luận chương 3
Để khảo sát dao động của ghế ngồi người lái lắp trên xe CCR khi sử dụng trong điều kiện lâm nghiệp, chúng tôi đã xây dựng sơ đồ tính toán dao động của liên hợp máy, thiết lập các biểu thức tính động năng, thế năng và hàm hao tán, và áp dụng phương trình Lagranger loại II để đưa ra hệ phương trình vi phân dao động (3-
11) Hệ PTVP (3-11) là hệ phương trình vi phân tuyến tính biểu diễn dao động theo phương thẳng đứng và các dao động quay quanh trục OY của xe CCR dưới tác động động học của mấp mô mặt đường lâm nghiệp và tác động động lực từ cơ cấu cắt cỏ, rác
Sau khi xác định được các hệ số trong hệ PTVP (3-11) chúng tôi đã sử dụng phần mềm toán học Matlab – Simulink để giải hệ PTVP (3-11), kết quả được nhập sang phần mềm giải hệ PTVP (3.12) để tìm các đặc trưng dao động của điểm đặt ghế Kết quả thu được là các đồ thị biểu diễn quy luật dao động tác động lên người lái xe như các hình 3.3,…,3.6 Đối chiếu các kết quả tính toán được với giá trị cho phép tính theo TCVN
5126 - 90 "Rung giá trị cho phép tại chỗ làm việc" (bảng 3.4), ta thấy biên độ vận tốc và gia tốc rung tác động lên người lái xe CCR vượt quá giá trị cho phép từ 12 đến 14 lần đối với vận tốc rung và từ 1,7 đến 1,8 lần - với gia tốc rung Vì vậy việc nghiên cứu lắp hệ thống giảm chấn cho ghế ngồi là cần thiết.