Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, việc đẩy mạnh cơ giới hóa trong sản xuất nông - lâm nghiệp là yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế. Vận chuyển gỗ là một khâu quan trọng và nặng nhọc trong dây chuyền khai thác gỗ, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lao động và chi phí sản xuất. Theo báo cáo ngành, rừng trồng tại Việt Nam có đặc điểm phân tán, sản lượng khai thác thấp và đường vận chuyển nhỏ hẹp, khiến việc sử dụng ô tô tải trọng lớn không còn phù hợp. Thay vào đó, ô tô tải trọng vừa và nhỏ như xe ô tô Forland lắp ráp trong nước được xem là giải pháp phù hợp, với ưu điểm về tính cơ động, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu tác động đến cây con, đất rừng.

Tuy nhiên, xe ô tô Forland hiện tại có ghế ngồi người lái nối cứng với sàn xe, không có bộ phận giảm chấn, dẫn đến dao động thẳng đứng lớn khi vận chuyển trên đường lâm nghiệp mấp mô, ảnh hưởng tiêu cực đến độ êm dịu, sức khỏe người lái và độ bền của xe. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát dao động thẳng đứng của ghế ngồi trên xe ô tô Forland khi vận chuyển gỗ rừng trồng, đánh giá độ êm dịu hiện tại và đề xuất giải pháp cải tiến hệ thống treo ghế nhằm nâng cao sự thoải mái và an toàn cho người lái. Nghiên cứu được thực hiện trên xe Forland sản xuất năm 2005, vận hành trên các đoạn đường lâm nghiệp tại khu vực Thanh Hóa với đặc trưng mấp mô mặt đường trung bình 0,1 m và bước sóng 0,8 m. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển cơ giới hóa bền vững cho ngành lâm nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả vận chuyển gỗ rừng trồng và bảo vệ sức khỏe người lao động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ học giải tích về dao động của hệ thống ô tô - máy kéo, tập trung vào dao động thẳng đứng của ghế ngồi người lái. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Phương trình Lagrange loại II: Dùng để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ gồm các khối lượng, phần tử đàn hồi và giảm chấn. Phương trình có dạng tổng quát: $$ \frac{d}{dt} \left( \frac{\partial T}{\partial \dot{q}_i} \right) - \frac{\partial T}{\partial q_i} + \frac{\partial \Pi}{\partial q_i} + \frac{\partial \Phi}{\partial \dot{q}_i} = Q_i $$ trong đó $T$ là động năng, $\Pi$ thế năng, $\Phi$ năng lượng hao tán, $Q_i$ lực tổng quát, $q_i$ tọa độ suy rộng.

  2. Mô hình dao động tuyến tính một bậc tự do cho hệ ghế - người lái: Ghế và người lái được mô hình hóa như một khối lượng liên kết với phần thân xe qua bộ phận đàn hồi và giảm chấn, chịu kích thích dao động từ mặt đường.

Các khái niệm chính bao gồm: tần số dao động riêng, gia tốc dao động, hệ số êm dịu chuyển động, và các đặc tính của hệ thống treo (độ cứng, hệ số cản giảm chấn). Mặt đường được mô hình hóa dạng hàm điều hòa với biên độ và bước sóng đặc trưng, làm nguồn kích thích dao động chính.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật xe ô tô Forland (trọng lượng, kích thước, hệ thống treo), đặc trưng mặt đường lâm nghiệp tại Thanh Hóa (độ mấp mô trung bình 0,1 m, bước sóng 0,8 m), và dữ liệu đo gia tốc dao động thẳng đứng tại vị trí ghế ngồi người lái.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học dao động thẳng đứng của xe và ghế người lái bằng phương trình Lagrange loại II, giải hệ phương trình vi phân bằng phần mềm Matlab & Simulink. Mô hình bao gồm 5 bậc tự do đại diện cho chuyển động thẳng đứng và góc lắc dọc của xe, chuyển động của các bánh xe và dao động ghế.

  • Thực nghiệm: Đo gia tốc dao động thẳng đứng tại vị trí ghế người lái bằng cảm biến gia tốc chuẩn, thiết bị thu thập dữ liệu Spider8 và phần mềm xử lý trên máy tính. Thí nghiệm được thực hiện trên đoạn đường lâm nghiệp có đặc trưng mấp mô đã xác định, với các mức tải trọng gỗ khác nhau (500 kg, 1000 kg, 1250 kg) và vận tốc chạy xe đa dạng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình trong 6 tháng đầu, thực nghiệm đo đạc và xử lý số liệu trong 3 tháng tiếp theo, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp trong 3 tháng cuối năm 2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dao động thẳng đứng của ghế ngồi khi nối cứng với sàn xe: Gia tốc dao động thẳng đứng cực đại đo được tại vị trí ghế người lái có thể lên tới khoảng 1,2 m/s² khi xe chạy trên đường lâm nghiệp với vận tốc 20 km/h và tải trọng 1250 kg. Giá trị này vượt quá mức cho phép theo tiêu chuẩn TCVN 2156-90, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe người lái.

  2. Ảnh hưởng của vận tốc và tải trọng đến dao động: Khi tăng vận tốc từ 10 km/h lên 30 km/h, biên độ gia tốc dao động tăng khoảng 35%. Tải trọng gỗ tăng từ 500 kg lên 1250 kg làm gia tốc dao động tăng khoảng 20%, do trọng tâm xe dịch chuyển và mô men quán tính thay đổi.

  3. Hiệu quả của bộ phận treo ghế có đàn hồi và giảm chấn: Mô hình tính toán và mô phỏng cho thấy khi lắp đặt bộ phận treo ghế với độ cứng lò xo khoảng 1500 N/m và hệ số cản giảm chấn 200 Ns/m, biên độ gia tốc dao động thẳng đứng tại ghế giảm xuống còn khoảng 0,6 m/s², giảm gần 50% so với ghế nối cứng.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả tương đồng với các nghiên cứu về dao động ghế ngồi trên xe tải nhỏ trong điều kiện địa hình không bằng phẳng, khẳng định tính khả thi của giải pháp cải tiến hệ thống treo ghế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây dao động lớn là do ghế ngồi người lái hiện tại được nối cứng với sàn xe, không có bộ phận giảm chấn, khiến toàn bộ dao động từ mặt đường truyền trực tiếp lên người lái. Đặc điểm đường lâm nghiệp với độ mấp mô trung bình 0,1 m và bước sóng 0,8 m tạo ra kích thích dao động dạng hàm điều hòa, làm tăng biên độ dao động thẳng đứng của xe và ghế.

Việc bổ sung bộ phận treo ghế có độ cứng và giảm chấn phù hợp giúp hấp thụ và làm giảm đáng kể dao động truyền lên người lái, cải thiện độ êm dịu và giảm nguy cơ mắc các bệnh nghề nghiệp liên quan đến rung động. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh biên độ gia tốc dao động thẳng đứng tại ghế trước và sau khi cải tiến, cũng như bảng số liệu thể hiện ảnh hưởng của vận tốc và tải trọng đến dao động.

So với các nghiên cứu trong và ngoài nước, đề tài đã bổ sung dữ liệu thực nghiệm cụ thể cho xe ô tô Forland tại Việt Nam, đồng thời áp dụng phương pháp giải tích kết hợp mô phỏng hiện đại, góp phần nâng cao tính ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt hệ thống treo ghế có bộ phận đàn hồi và giảm chấn: Thiết kế và lắp đặt bộ phận treo ghế với độ cứng lò xo khoảng 1500 N/m và hệ số cản giảm chấn 200 Ns/m nhằm giảm biên độ dao động thẳng đứng xuống dưới mức cho phép. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất xe và các đơn vị sửa chữa, bảo dưỡng xe.

  2. Kiểm soát vận tốc vận chuyển trên đường lâm nghiệp: Đề xuất giới hạn vận tốc tối đa 20 km/h khi vận chuyển gỗ trên đường có đặc trưng mấp mô như nghiên cứu để giảm thiểu dao động và tăng tuổi thọ xe. Thời gian áp dụng: ngay lập tức. Chủ thể thực hiện: Người lái xe và quản lý vận tải.

  3. Đào tạo người lái về kỹ thuật lái xe êm dịu: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật lái xe phù hợp nhằm giảm dao động do thao tác lái không hợp lý, nâng cao an toàn và sức khỏe người lái. Thời gian: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Các cơ sở đào tạo lái xe và doanh nghiệp vận tải.

  4. Nghiên cứu phát triển hệ thống treo xe phù hợp với địa hình lâm nghiệp: Tiếp tục nghiên cứu và phát triển hệ thống treo tổng thể cho xe ô tô tải nhỏ chuyên dùng trong lâm nghiệp, tối ưu hóa độ êm dịu và khả năng chịu tải. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và nhà sản xuất ô tô.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất và lắp ráp ô tô tải nhỏ: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế ghế ngồi và hệ thống treo, nâng cao chất lượng sản phẩm phù hợp với điều kiện vận chuyển gỗ rừng trồng.

  2. Doanh nghiệp vận tải lâm nghiệp: Áp dụng các giải pháp vận hành và bảo dưỡng xe nhằm giảm thiểu dao động, bảo vệ sức khỏe người lái và tăng hiệu quả vận chuyển.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình toán học và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về lâm nghiệp và an toàn lao động: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy định vận hành và bảo vệ sức khỏe người lao động trong ngành lâm nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu dao động ghế ngồi trên xe ô tô Forland?
    Dao động ghế ngồi ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người lái, độ êm dịu và an toàn khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp mấp mô. Nghiên cứu giúp cải tiến thiết kế ghế, giảm thiểu tác động tiêu cực.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để mô hình hóa dao động?
    Phương trình Lagrange loại II được sử dụng để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ xe - ghế - người lái, kết hợp với phần mềm Matlab & Simulink để giải và mô phỏng.

  3. Đặc trưng mặt đường lâm nghiệp ảnh hưởng thế nào đến dao động?
    Mặt đường có độ mấp mô trung bình khoảng 0,1 m và bước sóng 0,8 m tạo ra kích thích dao động dạng hàm điều hòa, làm tăng biên độ dao động thẳng đứng của xe và ghế.

  4. Giải pháp cải tiến ghế ngồi như thế nào?
    Lắp đặt bộ phận treo ghế gồm lò xo đàn hồi và giảm chấn với thông số kỹ thuật phù hợp giúp hấp thụ dao động, giảm biên độ gia tốc tác động lên người lái gần 50%.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại xe khác không?
    Mô hình và phương pháp nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại xe tải nhỏ vận chuyển trong điều kiện địa hình tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh thông số kỹ thuật phù hợp từng loại xe.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán học dao động thẳng đứng của xe ô tô Forland và ghế ngồi người lái trên đường lâm nghiệp, giải bằng phương pháp Lagrange loại II kết hợp Matlab & Simulink.
  • Thực nghiệm đo gia tốc dao động thẳng đứng tại ghế người lái cho thấy dao động vượt mức cho phép, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và độ bền xe.
  • Đề xuất lắp đặt bộ phận treo ghế có độ cứng lò xo 1500 N/m và hệ số cản giảm chấn 200 Ns/m giúp giảm biên độ dao động gần 50%, nâng cao độ êm dịu và an toàn.
  • Khuyến nghị kiểm soát vận tốc vận chuyển, đào tạo kỹ thuật lái xe êm dịu và tiếp tục nghiên cứu phát triển hệ thống treo xe phù hợp với địa hình lâm nghiệp.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong sản xuất, vận hành xe tải nhỏ trong ngành lâm nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả và bảo vệ sức khỏe người lao động.

Hành động tiếp theo: Các nhà sản xuất và doanh nghiệp vận tải nên phối hợp triển khai cải tiến ghế ngồi theo đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để hoàn thiện hệ thống treo xe tải nhỏ chuyên dụng cho lâm nghiệp.