Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực máy xây dựng, đặc biệt là xe lu rung, việc nâng cao hiệu suất làm việc đồng thời đảm bảo độ êm dịu cho người điều khiển là một thách thức lớn. Theo ước tính, xe lu rung được sử dụng rộng rãi trong các công trình giao thông và xây dựng, nơi mà dao động từ bánh lu truyền lên cabin có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe người lái và tuổi thọ thiết bị. Đề tài nghiên cứu “Điều khiển đệm cách dao động bán chủ động cabin xe lu rung” tập trung vào việc xây dựng mô hình dao động và phát triển phương pháp điều khiển tích cực hệ số cản của đệm cách dao động nhằm giảm thiểu dao động truyền lên cabin, nâng cao độ êm dịu cho người điều khiển.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xe lu rung bánh đơn XS120, với mô hình dao động 1/2 xe được thiết lập và phân tích trong điều kiện xe di chuyển đến công trường và hoạt động trên công trường. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các thông số của đệm cách dao động bán chủ động và điều khiển hệ số cản thủy lực nhằm tối ưu hóa độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO 2631-1. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết thiết kế đệm cách dao động cabin xe lu rung, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc giảm thiểu tác động dao động và tiếng ồn, góp phần bảo vệ sức khỏe người điều khiển và môi trường xung quanh.

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 hệ nhiều vật và nguyên lý D’Alambe: Được sử dụng để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của xe lu rung, bao gồm các thành phần như ghế ngồi, cabin, khung xe và bánh lu.
  • Mô hình đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động: Kết cấu đệm cách dao động kết hợp bộ phận đàn hồi cao su và bộ giảm chấn thủy lực có thể điều chỉnh hệ số cản, giúp dập tắt dao động ở các tần số khác nhau.
  • Thuật toán điều khiển Skyhook bán chủ động: Áp dụng để điều khiển lực cản dịu dựa trên vận tốc tương đối giữa khung xe và bánh xe, nhằm giảm dao động truyền lên cabin.
  • Tiêu chuẩn ISO 2631-1 về đánh giá độ êm dịu: Sử dụng gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng làm chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe.

Các khái niệm chính bao gồm: độ cứng và hệ số cản của đệm cách dao động, gia tốc bình phương trung bình, tần số kích thích dao động, và công suất dao động truyền đến người điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của xe lu rung XS120, số liệu mô phỏng dao động cabin và ghế ngồi người điều khiển dưới các điều kiện vận hành khác nhau. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân bậc hai mô tả dao động của hệ thống xe lu rung dựa trên nguyên lý D’Alambe và lý thuyết hệ nhiều vật.
  • Mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink: Mô phỏng các điều kiện làm việc của xe, bao gồm di chuyển trên mặt đường mấp mô theo tiêu chuẩn ISO 8068 và hoạt động trên mặt nền đàn hồi.
  • Phân tích và tối ưu hóa thông số đệm cách dao động: Sử dụng thuật toán điều khiển bán chủ động để điều chỉnh hệ số cản thủy lực nhằm giảm thiểu gia tốc truyền lên cabin.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong 2 năm, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp điều khiển.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình xe lu rung bánh đơn XS120, được lựa chọn do tính phổ biến và đặc trưng trong ngành máy xây dựng. Phương pháp chọn mẫu mô hình dựa trên tính đại diện và khả năng áp dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm dao động của đệm cách dao động bán chủ động: Mô phỏng cho thấy hệ thống đệm cách dao động bán chủ động giảm được gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của cabin xuống khoảng 30-40% so với hệ thống đệm cách dao động bị động trong điều kiện xe di chuyển trên mặt đường loại D (mặt đường xấu theo tiêu chuẩn ISO 8068).

  2. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành: Khi xe di chuyển đến công trường trên mặt đường cứng tuyệt đối và tiếp xúc điểm, gia tốc bình phương trung bình của ghế ngồi người điều khiển giảm khoảng 25% khi sử dụng điều khiển bán chủ động so với điều khiển bị động. Trong điều kiện xe hoạt động trên mặt nền đàn hồi, hiệu quả giảm dao động còn cao hơn, đạt khoảng 35%.

  3. Tối ưu hóa hệ số cản thủy lực: Việc điều khiển hệ số cản thủy lực trong khoảng từ 0.5 đến 1.5 Ns/m giúp cân bằng giữa khả năng dập tắt dao động và độ ổn định của hệ thống, nâng cao độ êm dịu mà không làm tăng chi phí năng lượng đáng kể.

  4. So sánh với các nghiên cứu trước: Kết quả phù hợp với các công trình nghiên cứu quốc tế về hệ thống treo bán chủ động, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm và mô hình hóa chi tiết cho xe lu rung bánh đơn tại Việt Nam.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả giảm dao động là do hệ thống đệm cách dao động bán chủ động có khả năng điều chỉnh lực cản thủy lực theo tín hiệu vận tốc tương đối giữa cabin và bánh xe, từ đó giảm thiểu truyền dao động không mong muốn. So với hệ thống bị động, hệ thống bán chủ động linh hoạt hơn trong việc thích ứng với các điều kiện mặt đường khác nhau.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh gia tốc bình phương trung bình của cabin và ghế ngồi dưới các điều kiện vận hành khác nhau, minh họa rõ ràng sự cải thiện về độ êm dịu. Bảng số liệu so sánh các thông số hệ số cản và mức giảm dao động cũng giúp làm rõ hiệu quả của phương pháp điều khiển.

So với các nghiên cứu trong nước, đề tài đã mở rộng phạm vi phân tích và áp dụng thuật toán điều khiển bán chủ động, góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực và máy xây dựng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển bán chủ động trên xe lu rung thực tế: Áp dụng thuật toán điều khiển hệ số cản thủy lực trong khoảng 0.5-1.5 Ns/m để giảm dao động cabin, nâng cao độ êm dịu cho người điều khiển. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do các đơn vị sản xuất và bảo trì xe lu phối hợp thực hiện.

  2. Nâng cấp hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực: Cải tiến vật liệu và cấu trúc đệm để tăng khả năng chịu mài mòn và hiệu quả giảm chấn, đồng thời tích hợp bộ điều khiển bán chủ động. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất linh kiện và các trung tâm nghiên cứu công nghệ vật liệu.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho người vận hành: Tổ chức các khóa huấn luyện về tác động của dao động và cách sử dụng hệ thống điều khiển bán chủ động để tối ưu hóa hiệu quả làm việc. Thời gian triển khai trong 6 tháng, do các cơ sở đào tạo kỹ thuật và doanh nghiệp vận hành xe lu đảm nhiệm.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng và phân tích dao động: Cập nhật và hoàn thiện các công cụ mô phỏng dựa trên Matlab/Simulink để hỗ trợ thiết kế và điều chỉnh hệ thống đệm cách dao động cho các loại xe lu rung khác nhau. Thời gian thực hiện 18 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Luận văn cung cấp mô hình toán học chi tiết và phương pháp điều khiển tiên tiến, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu trong lĩnh vực dao động và điều khiển hệ thống cơ khí.

  2. Các kỹ sư thiết kế và phát triển máy xây dựng: Thông tin về cấu trúc đệm cách dao động và thuật toán điều khiển bán chủ động hỗ trợ trong việc thiết kế các hệ thống giảm chấn hiệu quả, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì xe lu rung: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, giảm thiểu tác động dao động lên người điều khiển, từ đó tăng tuổi thọ thiết bị và nâng cao sự hài lòng của khách hàng.

  4. Cơ quan quản lý và đào tạo kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, chương trình đào tạo và nâng cao nhận thức về an toàn lao động trong ngành máy xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đệm cách dao động bán chủ động khác gì so với đệm cách dao động bị động?
    Đệm cách dao động bán chủ động có khả năng điều chỉnh hệ số cản thủy lực theo tín hiệu điều khiển, giúp giảm dao động hiệu quả hơn so với đệm bị động chỉ có thông số cố định. Ví dụ, trong nghiên cứu, hệ thống bán chủ động giảm gia tốc cabin khoảng 30-40% so với hệ thống bị động.

  2. Tiêu chuẩn ISO 2631-1 được áp dụng như thế nào trong đánh giá độ êm dịu?
    Tiêu chuẩn này sử dụng gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng làm chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu. Giá trị này được tính toán từ dữ liệu gia tốc thu thập hoặc mô phỏng, giúp đánh giá mức độ thoải mái và ảnh hưởng sức khỏe người điều khiển.

  3. Phương pháp mô phỏng dao động sử dụng phần mềm nào?
    Nghiên cứu sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống dao động và điều khiển đệm cách dao động, cho phép phân tích chi tiết các thông số và hiệu quả điều khiển trong các điều kiện vận hành khác nhau.

  4. Hệ số cản thủy lực được điều khiển như thế nào trong hệ thống bán chủ động?
    Hệ số cản được điều chỉnh dựa trên vận tốc tương đối giữa cabin và bánh xe theo thuật toán Skyhook, nhằm tạo ra lực cản dịu phù hợp để giảm dao động truyền lên cabin mà không làm tăng tiêu hao năng lượng quá mức.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại máy xây dựng khác không?
    Mô hình và phương pháp điều khiển có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại máy xây dựng khác có hệ thống đệm cách dao động tương tự, giúp nâng cao độ êm dịu và bảo vệ sức khỏe người vận hành trong nhiều lĩnh vực.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình dao động 1/2 xe lu rung bánh đơn XS120, mô phỏng hiệu quả giảm dao động của đệm cách dao động bán chủ động.
  • Phương pháp điều khiển hệ số cản thủy lực bán chủ động giúp giảm gia tốc bình phương trung bình của cabin và ghế ngồi người điều khiển từ 25% đến 40% so với hệ thống bị động.
  • Kết quả nghiên cứu phù hợp với tiêu chuẩn ISO 2631-1 và các nghiên cứu quốc tế, góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực tiễn trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế, nâng cấp hệ thống đệm cách dao động và đào tạo người vận hành nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn lao động.
  • Khuyến nghị tiếp tục phát triển phần mềm mô phỏng và mở rộng nghiên cứu cho các loại máy xây dựng khác trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình và thuật toán điều khiển bán chủ động trong thiết kế và vận hành thực tế, đồng thời phối hợp với các đơn vị sản xuất để thử nghiệm và hoàn thiện hệ thống. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần nâng cao chất lượng máy xây dựng và bảo vệ sức khỏe người lao động.