Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh Việt Nam với hơn hai phần ba diện tích là rừng và đất rừng, việc khai thác và quản lý rừng trồng đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế nông – lâm nghiệp. Tuy nhiên, đặc điểm sản xuất rừng trồng phân tán, sản lượng khai thác thấp và hệ thống vận chuyển nhỏ hẹp đã đặt ra thách thức lớn trong việc sử dụng máy móc cơ giới hóa hiệu quả. Máy kéo nông nghiệp công suất vừa và nhỏ, như John Deere-5310, được sử dụng phổ biến trong sản xuất nông nghiệp, có tiềm năng tận dụng trong vận xuất và vận chuyển lâm sản nhằm nâng cao hiệu quả đầu tư và tăng thu nhập cho người lao động.

Tuy nhiên, điều kiện làm việc trong lâm nghiệp có nhiều khác biệt so với nông nghiệp, đặc biệt là địa hình phức tạp, mặt đường mấp mô lớn gây ra dao động lớn cho máy kéo và người lái. Dao động vượt quá giới hạn cho phép không chỉ ảnh hưởng đến độ bền của máy móc mà còn gây mệt mỏi, ảnh hưởng sức khỏe người điều khiển, thậm chí dẫn đến các bệnh nghề nghiệp. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát dao động của ghế ngồi người lái trên máy kéo John Deere-5310 khi sử dụng trong điều kiện lâm nghiệp, từ đó đề xuất giải pháp giảm xóc phù hợp nhằm đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả làm việc.

Nghiên cứu được thực hiện dựa trên mô hình dao động của liên hợp máy kéo và rơmoóc chở gỗ, khảo sát các thông số dao động trong điều kiện mặt đường mấp mô với biên độ trung bình 0,1 m, bước sóng 1 m, vận tốc di chuyển từ 5 đến 20 km/h. Kết quả có ý nghĩa thiết thực trong việc cải tiến thiết bị cơ giới hóa lâm nghiệp, góp phần nâng cao năng suất lao động và bảo vệ sức khỏe người lái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết dao động cơ học: Áp dụng phương trình vi phân chuyển động để mô tả dao động thẳng đứng và dao động quay quanh các trục của máy kéo và rơmoóc. Mô hình hệ nhiều bậc tự do được sử dụng để tính toán dao động của liên hợp máy kéo – rơmoóc dưới tác động của mấp mô mặt đường.

  • Mô hình dao động ghế ngồi người lái: Xem ghế và người lái như một khối lượng tập trung, liên kết với khung máy qua hệ thống giảm xóc gồm lò xo và bộ giảm chấn thủy lực. Phương trình vi phân dao động của ghế được xây dựng dựa trên kích động động lực từ khung máy.

  • Tiêu chuẩn an toàn rung động TCVN 5126-90: Là cơ sở đánh giá mức độ an toàn và êm dịu của dao động tác động lên người lái, quy định giá trị cho phép về tần số, biên độ vận tốc và gia tốc rung trong dải tần từ 0,7 đến 90 Hz.

Các khái niệm chính bao gồm: dao động thẳng đứng (Z), dao động lắc dọc (α2), dao động lắc ngang (β2), biên độ vận tốc và gia tốc dao động, hệ số truyền giảm xóc, tần số dao động thích hợp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thực nghiệm và thông số kỹ thuật của máy kéo John Deere-5310 và rơmoóc một trục chở gỗ được thu thập từ khảo sát thực tế và các công trình nghiên cứu trước đây. Mặt đường vận xuất được mô phỏng dạng sóng sin với biên độ 0,1 m và bước sóng 1 m.

  • Phương pháp phân tích: Hệ phương trình vi phân dao động của liên hợp máy kéo – rơmoóc được giải bằng phần mềm Mathematica để xác định các đại lượng dao động tại vị trí đặt ghế ngồi. Mô hình dao động ghế ngồi được xây dựng và giải tích để xác định các thông số giảm xóc phù hợp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào một loại máy kéo phổ biến trong sản xuất nông – lâm nghiệp Việt Nam là John Deere-5310, kết hợp với rơmoóc một trục chở gỗ, đại diện cho liên hợp máy kéo vận xuất gỗ quy mô vừa và nhỏ.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2010, bao gồm khảo sát thực nghiệm, xây dựng mô hình, giải phương trình và đề xuất giải pháp cải tiến ghế ngồi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dao động của liên hợp máy kéo – rơmoóc:

    • Khi di chuyển trên đường có mấp mô dạng sóng sin với biên độ 0,1 m, dao động thẳng đứng (Z) và dao động lắc dọc (α2) của khung máy kéo có biên độ dao động tuân theo hàm điều hòa.
    • Dao động lắc ngang (β2) có biên độ rất nhỏ, không ảnh hưởng đáng kể đến ghế ngồi người lái.
    • Ví dụ, với vận tốc 10 km/h và tải trọng rơmoóc 1245 kg, biên độ dao động thẳng đứng tại vị trí ghế ngồi đạt giá trị lớn, gây ảnh hưởng xấu đến người lái.

  2. Ảnh hưởng của vận tốc và tải trọng đến dao động ghế:

    • Tăng vận tốc từ 5 đến 15 km/h làm tăng biên độ, vận tốc và gia tốc dao động ghế, tuy nhiên khi vận tốc vượt quá 15 km/h, các giá trị này có xu hướng giảm.
    • Tăng tải trọng trên rơmoóc làm giảm các đặc trưng dao động của ghế ngồi.
    • Kết quả cho thấy vận tốc làm việc an toàn để giảm thiểu dao động là ≤ 12 km/h hoặc ≥ 25 km/h.

  3. So sánh với tiêu chuẩn TCVN 5126-90:

    • Ở vận tốc 10 km/h, biên độ vận tốc và gia tốc dao động thẳng đứng vượt quá giá trị cho phép từ 3 đến 8 lần và 5 đến 8 lần tương ứng.
    • Ở vận tốc 15 km/h, các giá trị này vượt quá tiêu chuẩn từ 44 đến 70 lần, cho thấy mức độ dao động rất lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người lái.
    • Điều này khẳng định máy kéo John Deere-5310 chỉ phù hợp với điều kiện đường bằng phẳng hoặc vận tốc thấp khi làm việc trong lâm nghiệp.

  4. Mô hình dao động ghế ngồi và giải pháp giảm xóc:

    • Mô hình dao động ghế ngồi được xây dựng như hệ một khối lượng có nền di động, với lực kích động động lực từ khung máy.
    • Phương trình vi phân dao động ghế được giải để xác định biên độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc cực đại.
    • Các thông số hệ giảm xóc (độ cứng lò xo cg và hệ số cản động học kg) được tính toán nhằm đảm bảo biên độ vận tốc và gia tốc dao động ghế nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy dao động do địa hình mấp mô gây ra có ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện làm việc của người lái máy kéo John Deere-5310 trong lâm nghiệp. Việc dao động vượt quá tiêu chuẩn an toàn không chỉ làm giảm năng suất lao động mà còn gây ra các bệnh nghề nghiệp nghiêm trọng. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, các nước phát triển đã áp dụng hệ thống giảm xóc ghế ngồi và cải tiến máy kéo để giảm thiểu dao động, nâng cao điều kiện làm việc.

Việc khảo sát chi tiết dao động theo từng thành phần (thẳng đứng, lắc dọc, lắc ngang) giúp tập trung giải pháp vào các thành phần ảnh hưởng chính, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả cải tiến. Mô hình toán học và phương pháp giải tích sử dụng phần mềm Mathematica cho phép mô phỏng chính xác dao động trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau, hỗ trợ thiết kế hệ giảm xóc phù hợp.

Các đồ thị dao động, vận tốc và gia tốc ghế ngồi minh họa rõ ràng xu hướng biến đổi theo vận tốc và tải trọng, giúp người thiết kế và nhà quản lý lựa chọn chế độ vận hành tối ưu. Kết quả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải tiến ghế ngồi với hệ thống giảm xóc để bảo vệ sức khỏe người lái, đồng thời nâng cao tuổi thọ máy móc và hiệu quả sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt hệ thống giảm xóc cho ghế ngồi người lái

    • Thiết kế và lắp đặt bộ giảm xóc gồm lò xo đàn hồi và giảm chấn thủy lực phù hợp với đặc tính dao động của máy kéo John Deere-5310.
    • Mục tiêu giảm biên độ vận tốc và gia tốc dao động ghế xuống dưới giới hạn cho phép theo TCVN 5126-90.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị cơ giới.

  2. Điều chỉnh vận tốc làm việc của máy kéo

    • Khuyến cáo vận tốc vận hành trong khoảng ≤ 12 km/h hoặc ≥ 25 km/h để giảm thiểu dao động gây hại.
    • Đào tạo người lái về vận tốc an toàn và kỹ thuật vận hành phù hợp.
    • Thời gian áp dụng: ngay lập tức, chủ thể là người sử dụng và quản lý sản xuất.

  3. Nâng cao chất lượng mặt đường vận xuất lâm sản

    • Cải tạo, bảo trì đường vận xuất để giảm độ mấp mô, từ đó giảm dao động tác động lên máy kéo và người lái.
    • Ưu tiên đầu tư tại các khu vực khai thác trọng điểm.
    • Thời gian thực hiện: dài hạn, chủ thể là các cơ quan quản lý lâm nghiệp và địa phương.

  4. Nghiên cứu và phát triển máy kéo chuyên dụng phù hợp điều kiện lâm nghiệp Việt Nam

    • Phát triển các mẫu máy kéo có hệ thống treo khung và ghế tối ưu cho địa hình rừng trồng Việt Nam.
    • Tăng cường hợp tác nghiên cứu giữa trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.
    • Thời gian thực hiện: trung hạn (2-3 năm).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp

    • Học hỏi phương pháp mô hình hóa dao động, giải phương trình vi phân và ứng dụng phần mềm tính toán.
    • Áp dụng kiến thức để phát triển các nghiên cứu liên quan đến cơ giới hóa nông – lâm nghiệp.

  2. Các kỹ sư thiết kế và sản xuất máy kéo, thiết bị cơ giới lâm nghiệp

    • Tham khảo các thông số kỹ thuật, mô hình dao động và giải pháp giảm xóc để cải tiến sản phẩm phù hợp với điều kiện Việt Nam.
    • Nâng cao chất lượng và tính an toàn của máy kéo trong thực tế sản xuất.

  3. Quản lý và nhà hoạch định chính sách trong lĩnh vực lâm nghiệp và cơ giới hóa nông thôn

    • Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn vận hành, quy định an toàn lao động và kế hoạch đầu tư cơ sở hạ tầng.
    • Định hướng phát triển cơ giới hóa lâm nghiệp bền vững.

  4. Người lao động và người điều khiển máy kéo trong sản xuất lâm nghiệp

    • Hiểu rõ tác động của dao động đến sức khỏe và an toàn lao động.
    • Áp dụng các khuyến nghị vận hành an toàn, sử dụng thiết bị giảm xóc để bảo vệ sức khỏe.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao dao động của ghế ngồi người lái lại quan trọng trong sản xuất lâm nghiệp?
    Dao động vượt quá giới hạn cho phép gây mệt mỏi, ảnh hưởng sức khỏe và có thể dẫn đến bệnh nghề nghiệp cho người lái. Ngoài ra, dao động lớn làm giảm tuổi thọ máy móc và hiệu quả sản xuất.

  2. Mô hình dao động của ghế ngồi được xây dựng như thế nào?
    Ghế và người lái được xem như một khối lượng tập trung liên kết với khung máy qua hệ thống giảm xóc gồm lò xo và bộ giảm chấn thủy lực. Phương trình vi phân dao động được giải để xác định biên độ, vận tốc và gia tốc dao động.

  3. Giải pháp giảm xóc cho ghế ngồi có hiệu quả như thế nào?
    Giảm xóc hấp thụ và tiêu hao năng lượng dao động từ khung máy, giảm biên độ vận tốc và gia tốc tác động lên người lái, giúp đảm bảo an toàn và nâng cao sự thoải mái khi vận hành máy kéo.

  4. Tại sao vận tốc làm việc của máy kéo ảnh hưởng đến dao động ghế?
    Vận tốc ảnh hưởng đến tần số và biên độ dao động do tương tác với mấp mô mặt đường. Vận tốc không phù hợp có thể làm tăng dao động vượt mức cho phép, gây hại cho người lái.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại máy kéo khác không?
    Phương pháp và mô hình có thể áp dụng cho các loại máy kéo bánh hơi tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh thông số kỹ thuật và điều kiện vận hành phù hợp với từng loại máy và địa hình cụ thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng và giải hệ phương trình vi phân dao động của liên hợp máy kéo John Deere-5310 và rơmoóc chở gỗ trên đường vận xuất lâm nghiệp có mấp mô dạng sóng sin với biên độ 0,1 m.
  • Dao động thẳng đứng và lắc dọc là hai thành phần chính ảnh hưởng đến ghế ngồi người lái, trong khi dao động lắc ngang không đáng kể.
  • Biên độ vận tốc và gia tốc dao động ghế vượt quá tiêu chuẩn an toàn TCVN 5126-90 từ 3 đến 70 lần tùy vận tốc, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người lái.
  • Mô hình dao động ghế ngồi được xây dựng và giải tích để xác định các thông số giảm xóc phù hợp nhằm giảm thiểu dao động tác động lên người lái.
  • Đề xuất lắp đặt hệ thống giảm xóc ghế, điều chỉnh vận tốc làm việc và cải tạo mặt đường nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất lâm nghiệp.

Next steps: Triển khai thiết kế và thử nghiệm hệ giảm xóc ghế ngồi, đào tạo người lái về vận hành an toàn, đồng thời nghiên cứu mở rộng cho các loại máy kéo khác và điều kiện địa hình đa dạng.

Call to action: Các đơn vị nghiên cứu, sản xuất và quản lý trong lĩnh vực cơ giới hóa nông – lâm nghiệp cần phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu, nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ sức khỏe người lao động.