Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi chuyển động trên đường lâm nghiệp - Đề tài của Lê Thị Minh Vương tại Trường Đại học Lâm nghiệp
2010
66
0
0
Phí lưu trữ
30 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Tổng quan nghiên cứu dao động xe chữa cháy rừng đa năng
Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng là một yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành và an toàn trong điều kiện địa hình phức tạp. Các phương tiện chuyên dụng này thường xuyên di chuyển trên đường lâm nghiệp, nơi có bề mặt gồ ghề, không bằng phẳng, gây ra các dao động mạnh. Những dao động này không chỉ ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động mà còn tác động trực tiếp đến độ bền mỏi của khung gầm và các chi tiết cơ khí. Luận văn thạc sĩ của Lê Thị Minh Vượng (2010) là một trong những công trình tiên phong tại Việt Nam, tập trung vào việc phân tích dao động xe chữa cháy rừng đa năng, một sản phẩm từ đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10. Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học, giải và mô phỏng hệ phương trình vi phân dao động để tìm ra các giải pháp cải thiện tính năng vận hành. Việc hiểu rõ các đặc tính dao động của xe giúp các kỹ sư lựa chọn chế độ vận hành hợp lý, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để hoàn thiện thiết kế, đặc biệt là hệ thống treo xe chuyên dụng. Phân tích này cũng xem xét các yếu tố như tải trọng động lên khung xe và tương tác giữa bánh xe và mặt đường gồ ghề, từ đó đánh giá toàn diện độ ổn định động lực học của xe.
1.1. Giới thiệu xe chữa cháy rừng đa năng và vai trò
Xe chữa cháy rừng đa năng, được phát triển từ đề tài KC 07.13/06-10, là một phương tiện chữa cháy địa hình tiên tiến tại Việt Nam. Xây dựng trên nền tảng xe cơ sở URAL-4320, loại xe này được trang bị các thiết bị chuyên dụng như téc chứa nước, hệ thống bơm, thiết bị cắt cây, đào đất, tạo ra một giải pháp chữa cháy linh hoạt. Khác với xe cứu hỏa chuyên dụng thông thường hoạt động chủ yếu trên đường nhựa, mẫu xe này được thiết kế để hoạt động hiệu quả trên đường lâm nghiệp, tiếp cận các đám cháy ở những vị trí hiểm trở. Do đó, khả năng vận hành ổn định trên địa hình khó là yếu tố sống còn, quyết định hiệu quả của công tác chữa cháy. Việc nghiên cứu dao động giúp đảm bảo xe có thể di chuyển nhanh chóng, an toàn đến hiện trường mà không gây hư hỏng cho thiết bị hoặc gây nguy hiểm cho đội ngũ vận hành.
1.2. Đặc điểm của đường lâm nghiệp và tác động của nó
Đường lâm nghiệp tại Việt Nam thường có kết cấu là đường đất, đường cấp phối đá dăm, với đặc tính bề mặt không bằng phẳng, nhiều mấp mô và độ dốc thay đổi liên tục. Theo các nghiên cứu trước đây như của TS. Nguyễn Tiến Đạt [4], mặt đường lâm nghiệp có thể được mô tả bằng các hàm tuần hoàn với biên độ và bước sóng khác nhau. Chính những mấp mô này là nguồn kích động chính gây ra dao động cho xe. Tương tác bánh xe và mặt đường gồ ghề tạo ra các lực động thẳng đứng truyền lên hệ thống treo và khung xe. Nếu không được kiểm soát tốt, các dao động này có thể cộng hưởng với tần số dao động riêng của xe, gây ra các rung lắc cực đại, ảnh hưởng tiêu cực đến an toàn vận hành xe địa hình và làm giảm tuổi thọ của các bộ phận quan trọng.
II. Thách thức khi vận hành xe chữa cháy trên địa hình khó
Vận hành một phương tiện chữa cháy địa hình hạng nặng như xe chữa cháy rừng đa năng trên đường lâm nghiệp đặt ra nhiều thách thức nghiêm trọng. Dao động cường độ cao là vấn đề cốt lõi, gây ra hàng loạt hệ lụy. Đầu tiên là sự suy giảm độ êm dịu chuyển động, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và sự tập trung của đội ngũ vận hành. Theo các nghiên cứu được trích dẫn trong tài liệu gốc [1], con người khi phải chịu đựng dao động trong thời gian dài có thể mắc các bệnh về thần kinh. Thứ hai, dao động liên tục tạo ra tải trọng động lên khung xe lớn hơn nhiều so với tải trọng tĩnh, đẩy nhanh quá trình mỏi và có thể dẫn đến phá hủy kết cấu. Đặc biệt, độ bền mỏi của khung gầm là yếu tố cần được quan tâm hàng đầu. Một thách thức khác là dao động của chất lỏng trong bồn chứa. Khi xe di chuyển trên địa hình gồ ghề, 5.5 m³ nước trong bồn sẽ dao động mạnh (hiện tượng sloshing), tạo ra các lực quán tính phụ, ảnh hưởng tiêu cực đến độ ổn định động lực học và có thể gây lật xe trong các tình huống vào cua hoặc di chuyển trên dốc nghiêng. Việc đảm bảo an toàn vận hành xe địa hình trong những điều kiện này đòi hỏi một sự hiểu biết sâu sắc về động lực học của xe.
2.1. Nguy cơ mất an toàn vận hành xe địa hình và ổn định
Độ ổn định động lực học của xe bị đe dọa nghiêm trọng bởi dao động. Khi một bánh xe đi vào ổ gà hoặc vượt qua mấp mô, sự thay đổi đột ngột về tải trọng có thể làm giảm lực bám của bánh xe với mặt đường, dẫn đến nguy cơ trượt, đặc biệt là khi phanh hoặc vào cua. Hơn nữa, dao động lắc ngang và lắc dọc (pitch and roll) do mặt đường không đều có thể làm tăng nguy cơ lật xe, nhất là với một phương tiện có trọng tâm cao như xe chữa cháy. Các lực phát sinh từ dao động của chất lỏng trong bồn chứa càng làm trầm trọng thêm vấn đề này, khiến việc điều khiển xe trở nên khó lường và nguy hiểm hơn cho người lái.
2.2. Ảnh hưởng của tải trọng động lên khung xe và độ bền
Mỗi lần xe vượt qua một mấp mô, một tải trọng động lên khung xe được tạo ra, có thể lớn gấp nhiều lần tải trọng tĩnh. Các tải trọng này có tính chu kỳ, gây ra ứng suất biến đổi liên tục trên các kết cấu chịu lực như khung, gầm và các mối liên kết của hệ thống treo xe chuyên dụng. Hiện tượng này dẫn đến độ bền mỏi của khung gầm bị suy giảm theo thời gian, có thể gây ra các vết nứt và phá hủy đột ngột mà không có dấu hiệu báo trước. Nghiên cứu dao động cho phép các nhà thiết kế dự đoán được các vùng chịu ứng suất cao nhất và gia cố chúng, từ đó kéo dài tuổi thọ và đảm bảo độ tin cậy của phương tiện trong các nhiệm vụ quan trọng.
III. Phương pháp mô hình hóa xe chữa cháy rừng đa năng
Để phân tích dao động xe một cách khoa học, bước đầu tiên và quan trọng nhất là xây dựng một mô hình toán học phản ánh đúng các đặc tính động lực học của nó. Nghiên cứu của Lê Thị Minh Vượng đã tiến hành mô hình hóa xe chữa cháy trong mặt phẳng đối xứng dọc, coi đây là một hệ cơ học nhiều vật. Mô hình này bao gồm các khối lượng được treo (thân xe, bồn nước) và khối lượng không được treo (các cầu xe, bánh xe), được liên kết với nhau qua các phần tử đàn hồi (lốp, nhíp) và phần tử giảm chấn. Các giả thiết quan trọng được đưa ra để đơn giản hóa bài toán bao gồm: dao động được xét quanh vị trí cân bằng tĩnh, bỏ qua ma sát tại các ổ trục, và coi mấp mô mặt đường là nguồn kích động duy nhất. Mô hình này có 5 bậc tự do, tương ứng với các chuyển động thẳng đứng của thân xe, tâm xoay nhíp sau, cầu trước, và các chuyển động góc của thân xe và nhíp sau. Cách tiếp cận này cho phép khảo sát cả dao động thẳng đứng và dao động lắc dọc, những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động.
3.1. Xây dựng mô hình dao động không gian 5 bậc tự do
Mô hình dao động được xây dựng trong hệ tọa độ OXYZ, trong đó trục OZ biểu diễn dao động thẳng đứng. Các khối lượng chính của xe được quy đổi thành: khối lượng được treo (m), khối lượng cầu trước (m1), cầu giữa (m2), và cầu sau (m3). Các phần tử của hệ thống treo xe chuyên dụng và lốp xe được mô hình hóa thành các cặp lò xo và giảm chấn có độ cứng (c) và hệ số cản (k) tương ứng. Mô hình này cho phép xác định các chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị góc tại các điểm quan trọng, từ đó thiết lập các phương trình mô tả động lực học thân xe một cách chi tiết. Việc lựa chọn 5 bậc tự do là một sự cân bằng hợp lý giữa độ chính xác và độ phức tạp của bài toán.
3.2. Ứng dụng phương trình Lagrange loại II để lập hệ
Để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của cơ hệ, nghiên cứu đã sử dụng phương trình Lagrange loại II. Đây là một công cụ mạnh mẽ trong cơ học giải tích, đặc biệt hiệu quả cho các hệ nhiều bậc tự do. Phương pháp này dựa trên việc tính toán động năng (T), thế năng (Π), và hàm hao tán năng lượng (Φ) của toàn bộ hệ thống. Bằng cách lấy đạo hàm các hàm năng lượng này theo các tọa độ suy rộng (chuyển vị và vận tốc), một hệ gồm 5 phương trình vi phân tuyến tính cấp hai đã được thiết lập. Hệ phương trình này mô tả mối quan hệ giữa lực quán tính, lực đàn hồi, lực cản và các kích động từ mặt đường, tạo nền tảng cho việc mô phỏng động lực học thân xe.
IV. Cách mô phỏng động lực học thân xe bằng phần mềm
Sau khi có được hệ phương trình vi phân từ việc mô hình hóa xe chữa cháy, bước tiếp theo là giải và mô phỏng chúng để quan sát hành vi của xe. Với sự phức tạp của hệ 5 phương trình, việc giải tích bằng tay là không khả thi. Do đó, nghiên cứu đã sử dụng các công cụ tính toán hiện đại. Phần mềm mô phỏng (Adams, Ansys) là những lựa chọn phổ biến, tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này, Matlab & Simulink đã được lựa chọn vì khả năng xử lý toán học ma trận và mô phỏng hệ thống động học mạnh mẽ. Quá trình mô phỏng bắt đầu bằng việc xác định các thông số đầu vào, bao gồm các đặc tính hình học (chiều dài cơ sở, vị trí trọng tâm), các thông số động lực học (khối lượng, mô men quán tính), và các đặc tính của hệ thống treo xe chuyên dụng (độ cứng, hệ số cản). Các thông số này được thu thập từ tài liệu kỹ thuật của xe, tính toán lý thuyết, và kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu trước đó [14]. Việc mô phỏng cho phép các nhà nghiên cứu phân tích dao động xe trong nhiều kịch bản vận hành khác nhau mà không cần chế tạo và thử nghiệm thực tế tốn kém.
4.1. Xác định các thông số đầu vào cho mô hình dao động
Độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các thông số đầu vào. Luận văn đã tổng hợp và xác định các thông số quan trọng như: mô men quán tính của xe (J), độ cứng của lốp (c1, c2, c3) và nhíp (cn1, cn2), hệ số cản của giảm chấn (kn1). Các giá trị này được xác định thông qua tra cứu tài liệu, kế thừa kết quả từ Học viện Kỹ thuật Quân sự [14], và các phương pháp tính toán lý thuyết. Ví dụ, độ cứng của lốp được tính dựa trên áp suất hơi và kích thước lốp, trong khi tọa độ trọng tâm được xác định bằng phương pháp cân thực nghiệm. Các thông số này được khai báo trong một M-file của Matlab để sử dụng cho mô hình Simulink.
4.2. Giải hệ phương trình bằng phần mềm mô phỏng Matlab
Hệ phương trình vi phân dao động được biểu diễn dưới dạng ma trận: Mq'' + Bq' + Cq = Ph' + Qh. Trong đó M, B, C là các ma trận khối lượng, cản, và độ cứng; q là vector các tọa độ suy rộng; và vế phải biểu diễn kích động từ mặt đường. Sơ đồ khối mô phỏng được xây dựng trong Simulink, sử dụng các khối chức năng để biểu diễn các ma trận và các phép toán. Đầu vào của mô hình là hàm mô tả mấp mô mặt đường (h), có thể là một kích động đơn (dạng bậc thang) hoặc kích động tuần hoàn (dạng hình sin). Đầu ra là các đồ thị biểu diễn sự thay đổi theo thời gian của các chuyển vị và gia tốc tại các điểm quan trọng trên xe, giúp đánh giá trực quan độ êm dịu chuyển động.
V. Kết quả phân tích dao động xe và ý nghĩa thực tiễn
Kết quả từ quá trình mô phỏng động lực học thân xe cung cấp những thông tin vô giá về hành vi dao động của xe chữa cháy rừng đa năng. Các đồ thị mô phỏng cho thấy quy luật biến đổi của chuyển vị thẳng đứng tại trọng tâm xe, chuyển vị góc của thân xe, và chuyển vị tại các cầu xe theo thời gian. Khi xe đi qua một mấp mô đơn, các dao động này có dạng tắt dần. Biên độ và tần số của dao động phụ thuộc vào các thông số của hệ thống treo xe chuyên dụng và vận tốc di chuyển. Việc phân tích dao động xe từ các kết quả này cho phép đánh giá các chỉ tiêu quan trọng. Ví dụ, gia tốc dao động thẳng đứng tại vị trí người lái là một thước đo trực tiếp của độ êm dịu chuyển động. Nếu giá trị này vượt quá giới hạn cho phép, nó cho thấy hệ thống treo cần được cải thiện. Tương tự, biên độ chuyển vị góc của thân xe liên quan trực tiếp đến độ ổn định động lực học và nguy cơ lật. Các kết quả này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn là cơ sở để đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể.
5.1. Đánh giá độ êm dịu chuyển động qua gia tốc dao động
Một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá độ êm dịu chuyển động. Dựa trên các đồ thị gia tốc dao động thu được từ mô phỏng, có thể so sánh các giá trị cực đại với các tiêu chuẩn quốc tế (như ISO 2631) về mức độ ảnh hưởng của rung động đến con người. Kết quả phân tích giúp xác định các dải vận tốc mà tại đó xe hoạt động êm dịu nhất hoặc khắc nghiệt nhất. Thông tin này rất hữu ích cho việc xây dựng hướng dẫn vận hành, khuyến cáo người lái duy trì tốc độ phù hợp với từng loại địa hình để đảm bảo an toàn và sức khỏe.
5.2. Đề xuất giải pháp cải thiện hệ thống treo xe chuyên dụng
Từ kết quả phân tích, nghiên cứu có thể đưa ra những đề xuất cụ thể để cải tiến thiết kế. Nếu mô phỏng cho thấy dao động quá lớn, các giải pháp có thể bao gồm: thay đổi độ cứng của nhíp, tối ưu hóa đặc tính của giảm chấn, hoặc thậm chí xem xét sử dụng các hệ thống treo tiên tiến hơn như treo khí nén. Bằng cách thay đổi các thông số c (độ cứng) và k (hệ số cản) trong mô hình và chạy lại mô phỏng, các kỹ sư có thể tìm ra một bộ thông số tối ưu giúp giảm thiểu dao động mà không ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của xe cứu hỏa chuyên dụng. Đây là một ứng dụng thực tiễn quan trọng, giúp hoàn thiện sản phẩm trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.
04/10/2025
TÀI LIỆU LIÊN QUAN
Bạn đang xem trước tài liệu:
Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi chuyển động trên đường lâm nghiệp