Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu động lực học của xe chữa cháy rừng đa năng" do nghiên cứu sinh Nguyễn Xã Hội thực hiện tại Trường Đại học Lâm nghiệp, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí (mã số: 62520103), bảo vệ năm 2013.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cháy rừng là thảm họa thiên nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng về tài nguyên, môi trường sinh thái và đời sống xã hội. Tại Việt Nam, nhiều vụ cháy rừng quy mô lớn đã xảy ra như vụ cháy rừng U Minh Hạ (04/04/2007), vụ cháy tại Vườn quốc gia Hoàng Liên - Lào Cai làm thiệt hại khoảng 1.700 ha. Thống kê của Cục Kiểm lâm cho thấy:

  • Năm 2010: Cả nước xảy ra 880 vụ cháy tại 49/73 khu vực rừng (tăng 552 vụ so với năm 2009), làm thiệt hại hơn 5.668 ha rừng; riêng Hà Nội xảy ra 21 vụ, thiệt hại trên 25 ha.
  • Năm 2012: Toàn quốc xảy ra 155 vụ cháy, thiệt hại hàng trăm hecta.
  • Đầu năm 2013: Tại Gia Lai, ngày 19/02/2013 thiêu rụi 270 ha, ngày 12/03/2013 tiếp tục xảy ra 3 vụ (trong chưa đầy 1 tháng xảy ra 4 vụ làm thiệt hại trên 400 ha); tháng 05/2013 xảy ra 21 vụ làm thiệt hại 88 ha; tính đến hết tháng 06/2013 toàn quốc có 845 ha rừng bị cháy.

Trang thiết bị chữa cháy rừng tại Việt Nam phần lớn còn thô sơ (dùng cành cây, vỉ dập lửa, phát quang thủ công). Nhằm giải quyết vấn đề này, Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao Trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì đề tài cấp Nhà nước: "Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng" (mã số KC07.13/06-10), thiết kế chế tạo thành công mẫu xe chữa cháy rừng đa năng trên nền xe Ural 4320.

Tuy nhiên, qua khảo nghiệm thực tế tại một số địa phương (như Công ty Lâm nghiệp Đắc Tô, Kon Tum), phương tiện bộc lộ các hạn chế kỹ thuật: khi xe di chuyển trên địa hình rừng không có đường, dưới tác động của mấp mô mặt đất và phản lực từ các cơ cấu công tác (đặc biệt là hệ thống phay cắt cỏ rác), xe xuất hiện dao động rất lớn. Dao động này làm mất ổn định chuyển động, ảnh hưởng đến độ bền chi tiết, giảm chất lượng công tác dập lửa (mạch cưa của hệ thống cắt cây bị kẹt khi xe rung lắc, buộc phải dừng xe gây giảm năng suất) và ảnh hưởng đến an toàn của hệ thống lái. Do đó, việc nghiên cứu động lực học dao động để tìm ra chế độ vận hành hợp lý và cung cấp cơ sở khoa học hoàn thiện kết cấu xe là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Xác định quy luật ảnh hưởng của một số yếu tố (vận tốc chuyển động của xe, độ mấp mô mặt đất rừng, lực kích động từ cơ cấu công tác) đến các chỉ tiêu động lực học (gia tốc dao động thân xe, góc lắc dọc, góc lắc ngang).
  2. Xác định chế độ làm việc hợp lý để sử dụng xe an toàn và hiệu quả khi hoạt động chữa cháy trong rừng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động lực học của xe chữa cháy rừng đa năng (sản phẩm của đề tài KC07.13/06-10) khi chuyển động trong rừng không có đường.
  • Phạm vi nội dung: Tập trung nghiên cứu dao động của xe ở các chế độ chuyển động bình ổn; không tính toán thiết kế mới toàn bộ xe hay động cơ, chỉ tập trung giải quyết ảnh hưởng dao động đến độ bền, độ êm dịu và tính ổn định.
  • Phạm vi chế độ công tác: Xét trường hợp xe vừa di chuyển vừa vận hành cơ cấu cắt cỏ rác ở phía sau để tạo băng cản lửa; cơ cấu cắt cây phía trước không làm việc và được liên kết cứng với khung xe; téc nước chở đầy.
  • Phạm vi địa hình: Mặt đất rừng với mấp mô biểu diễn dưới dạng hàm điều hòa và hàm ngẫu nhiên.
  • Phạm vi thực nghiệm: Thực hiện khảo nghiệm tại một số địa bàn đặc trưng gồm khu vực núi Luốt (Trường Đại học Lâm nghiệp), Gia Lai và Kon Tum.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu về dao động ô tô, máy kéo trên thế giới và tại Việt Nam:

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

  • Mitschke M. (1972) [38]: Nghiên cứu dao động ô tô du lịch, tối ưu hóa các thông số hệ thống treo.
  • Muller H. (1970) [40]: Thiết lập mô hình không gian 7 bậc tự do cho máy kéo bánh hơi (dao động thẳng đứng, dọc, ngang, xoay quanh các trục và dao động liên kết quanh trục cân bằng), tính toán tải trọng cầu chủ động khi vượt vật cản lớn.
  • Vogel F. (1975) [42]: Nghiên cứu động lực học liên hợp máy cày khi lực kéo và tải trọng thẳng đứng dao động; chỉ ra dao động lực kéo ảnh hưởng lớn hơn tải trọng thẳng đứng trong điều kiện nhất định; nghiên cứu thuần lý thuyết, thiếu kiểm chứng thực nghiệm.
  • Wendeborn J. (1967) [43]: Xây dựng mô hình dao động thẳng đứng của máy kéo bằng lý thuyết và thực nghiệm, chưa xét chuyển động quay và các phương khác.
  • Antônốp Đ. (1970, 1978) [62, 63]: Xây dựng lý thuyết tính toán ổn định chuyển động của ô tô nhiều cầu, chỉ xét kích động động lực, chưa tính đến kích động động học từ mấp mô mặt đường.
  • Barski I. (1973) [65]: Nghiên cứu động lực học và độ êm dịu của máy kéo bánh hơi và bánh xích.
  • Varava V. (1987) [70]: Lập mô hình dao động thẳng đứng của máy kéo gắn cơ cấu ngoạm gỗ thủy lực khi vận xuất gỗ, giả định máy làm việc trên nền cứng và phẳng tuyệt đối.
  • Gaichev L. (1979) [71]: Thiết lập mô hình dao động thẳng đứng có kể đến biến dạng lốp, chưa tính đến dao động ngang và xoay quanh trục đứng.
  • Xavotrin V., Đimitơriev A. (1983) [77]: Nghiên cứu động lực học thống kê hệ thống truyền lực của xe xích và xe vận tải trên đường mấp mô ngẫu nhiên.
  • Xilaev A. (1972) [78]: Ứng dụng lý thuyết phổ giải bài toán dao động ngẫu nhiên tuyến tính của xe vận tải nhiều cầu, đo đạc và xác định đặc trưng thống kê của 12 loại đường ngẫu nhiên.
  • Iasenko H. (1980) [81]: Xác định giới hạn gia tốc thẳng đứng cho phép đối với xe vận tải chở thiết bị nhạy cảm.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

  • Trần Thanh An (2006) [1]: Tối ưu hóa thông số hệ thống treo ô tô khách bằng không gian trạng thái và Matlab - Simulink dưới kích động xung và ngẫu nhiên.
  • Nguyễn Tiến Đạt (2000) [9]: Mô hình hóa dao động máy kéo DFH 180 kéo nửa lết trong mặt phẳng thẳng đứng dọc dưới kích động mặt đường ngẫu nhiên.
  • Nguyễn Phúc Hiểu (2002) [13]: Tính toán dao động ô tô chịu kích động mấp mô mặt đường và giải bài toán độ bền khung vỏ không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
  • Đào Mạnh Hùng (2003) [15]: Phương pháp tính lực động giữa bánh xe và mặt đường dưới kích động ngẫu nhiên và điều hòa.
  • Võ Văn Hường (2000) [16]: Khảo sát dao động ô tô tải 3 cầu, dùng tham số áp lực đường đánh giá lực động với lốp tuyến tính và mặt đường điều hòa.
  • Vũ Đức Lập (2001) [22]: Giáo trình tổng quan về chỉ tiêu đánh giá, phương pháp và mô hình dao động ô tô.
  • Lê Minh Lư (1993) [23]: Thiết lập mô hình phi tuyến của máy kéo bánh hơi trong mặt phẳng dọc khi di chuyển độc lập không tải.
  • Trần Minh Sơn (2009) [29]: Tính biến dạng và ứng suất khung vỏ xe dưới kích động ngẫu nhiên của biên dạng đường.
  • Nguyễn Văn Trà (2004) [32]: Ứng dụng lý thuyết điều khiển không gian trạng thái khảo sát dao động ô tô du lịch trên Matlab - Simulink 6.0 trong miền thời gian và tần số.
  • Lưu Văn Tuấn (2004) [33]: Nghiên cứu dao động và độ êm dịu xe khách Ba Đình tính đến tính chất đàn hồi giữa khung và vỏ.
  • Võ Văn Trung (2009) [34]: Mô hình 1/2 phi tuyến giải bài toán dao động ngẫu nhiên của xe xích chiến đấu bằng phương pháp số trên Matlab - Simulink.
  • Nguyễn Nhật Chiêu (2009) [6]: Tính toán dao động và ổn định tĩnh của xe chữa cháy rừng đa năng nhưng chưa xét đầy đủ các nhân tố kích động trong rừng.
  • Dương Văn Tài (2010) [30]: Chủ nhiệm đề tài KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo xe chữa cháy rừng đa năng, tập trung vào kết cấu mà chưa nghiên cứu toàn diện động lực học không gian khi vận hành dập lửa.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào ô tô chạy trên đường giao thông tiêu chuẩn hoặc máy kéo nông nghiệp trên đồng ruộng, mô hình thường giới hạn trong mặt phẳng dọc (2D) hoặc giả thiết mặt đường phẳng/hàm điều hòa đơn giản. Chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện mô hình không gian (3D) của xe chữa cháy rừng 3 cầu chủ động di chuyển trong địa hình rừng không có đường, chịu tác động đồng thời của kích động động học ngẫu nhiên từ mặt đất rừng và kích động động lực học dạng xung tuần hoàn sinh ra từ cơ cấu phay cắt thực bì.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đặc tính kỹ thuật xe cơ sở và hệ thống chuyên dụng

Xe chữa cháy rừng đa năng được phát triển trên cơ sở xe sát-xi Ural 4320 (động cơ Diesel công suất 180 mã lực, 3 cầu chủ động). Các thông số kỹ thuật chính được tổng hợp tại bảng dưới đây:

TT Hạng mục / Hệ thống Thông số đặc tính kỹ thuật Giá trị xác định Đơn vị
I Thông số chung Công suất động cơ xe ô tô cơ sở 180 mã lực
Tốc độ dập lửa 12 m/phút
Chiều cao ngọn lửa dập tắt 9 m
Tốc độ di chuyển trên đường lâm nghiệp 25 km/h
Độ dốc dọc xe di động được $16^\circ 08'$ độ
Độ dốc ngang xe di động được $\le 6^\circ 47'$ độ
II Hệ thống nước Dung tích téc chứa nước 5,0 $\text{m}^3$
Lưu lượng máy bơm chữa cháy 30 $\text{m}^3/\text{h}$
Chiều dài vòi chữa cháy (5 cuộn $\times$ 20 m) 100 m
III Hệ thống gió Lưu lượng quạt thổi gió 104 $\text{m}^3/\text{phút}$
Vận tốc không khí miệng ống thổi 65 m/s
Chiều dài ống thổi không khí 35 m
IV Hệ thống đất cát Khối lượng đất cát phun vào đám cháy 45 kg/phút
Chiều sâu hố cắt lấy đất (4 dao búa, $v=80\text{ m/s}$) 400 mm
Chiều dài ống phun đất cát 35 m
V Hệ thống cắt cây Vận tốc đẩy tối đa / Vận tốc cắt 12 m/phút / 80 m/s
Đường kính đĩa cưa (3 đĩa) / Động cơ thủy lực 500 mm / 8 kW
Đường kính cây lớn nhất cắt được 25 cm
VI Hệ thống cắt cỏ rác Số lượng dao / Đường kính đĩa lắp dao 40 dao (20 đĩa) / 400 mm
Chiều dài dao búa ($m_d = 0,3\text{ kg}$) 125 mm
Vận tốc cắt / Động cơ thủy lực 25 m/s / 30 kW
Vận tốc quay trục dao 800 - 1500 vg/ph
Bề rộng băng cản lửa tạo ra 2,0 m

Giả thiết xây dựng mô hình dao động

  1. Xe di chuyển trên mặt đất rừng tạo băng cản lửa: cơ cấu cắt cỏ rác phía sau hoạt động; cơ cấu cắt cây phía trước không làm việc, liên kết cứng với khung xe.
  2. Khối lượng xe phân bố đối xứng qua mặt phẳng dọc đối xứng.
  3. Téc chở đầy nước và coi như một khối đặc (do téc chia nhiều ngăn nhỏ).
  4. Khối lượng được treo $m_0$ là vật rắn tuyệt đối, có mômen quán tính với trục dọc $J_{0x}$, trục ngang $J_{0y}$.
  5. Khối lượng không được treo ở các cầu 1, 2, 3 là các vật rắn tuyệt đối ($m_1, m_2, m_3$) với mômen quán tính đối với trục dọc lần lượt là $J_{1x}, J_{2x}, J_{3x}$.
  6. Nguồn kích động chỉ gồm mấp mô mặt đất rừng và xung lực từ cơ cấu cắt cỏ rác.
  7. Phần tử đàn hồi (lốp, nhíp) có đặc tính tuyến tính; bỏ qua cản giảm chấn của nhíp sau.
  8. Bánh xe tiếp xúc điểm với mặt đất rừng; đất rừng coi như cứng tuyệt đối.
  9. Xe chuyển động thẳng đều với vận tốc không đổi ($v = \text{const}$).
  10. Bỏ qua trượt bánh xe, lực cản không khí và ma sát tại các ổ trục.
  11. Dao động khảo sát là dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng tĩnh ($\sin\alpha \approx \alpha, \cos\alpha \approx 1$).

Mô hình toán học và hệ tọa độ

Chọn hệ tọa độ cố định $Oxyz$ đặt tại trọng tâm khối lượng được treo $m_0$. Mô hình không gian gồm 5 vật rắn với 10 tọa độ suy rộng:

  • Chuyển vị thân xe: $q_1 = z_0$ (thẳng đứng), $q_2 = \alpha_0$ (góc lắc dọc), $q_3 = \beta_0$ (góc lắc ngang).
  • Chuyển vị cầu trước: $q_4 = z_1$ (thẳng đứng), $q_5 = \beta_1$ (góc lắc ngang).
  • Chuyển vị cầu giữa: $q_6 = z_2$ (thẳng đứng), $q_7 = \beta_2$ (góc lắc ngang).
  • Chuyển vị cầu sau: $q_8 = z_3$ (thẳng đứng), $q_9 = \beta_3$ (góc lắc ngang).
  • Chuyển vị cơ cấu cắt cỏ rác: $q_{10} = z_4$ (thẳng đứng).

Thiết lập hệ phương trình vi phân dao động thông qua phương trình Lagrange loại II: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}_i}\right) - \frac{\partial T}{\partial q_i} + \frac{\partial \Pi}{\partial q_i} + \frac{\partial \Phi}{\partial \dot{q}_i} = Q_i^* \quad (i = 1, \dots, 10)$$

Biểu thức ma trận tổng quát: $$[M]\ddot{q} + [K]\dot{q} + [C]q = Q(t)$$ Trong đó $[M], [K], [C]$ lần lượt là các ma trận khối lượng, ma trận hệ số cản và ma trận độ cứng cấp $10 \times 10$; $Q(t)$ là véc-tơ ngoại lực kích động.

Mô hình kích động

  1. Mặt đất rừng:
    • Dạng hàm bậc: $h(S) = 0$ khi $S < S_0$ và $h(S) = h_0$ khi $S \ge S_0$.
    • Dạng điều hòa: $h_1(t) = h_0\sin(\omega t)$, $h_2(t) = h_0\sin[\omega(t - t_1)]$, $h_3(t) = h_0\sin[\omega(t - t_2)]$ với $t_1 = l_{01}/v, t_2 = l_{02}/v, \omega = 2\pi v / s$.
    • Dạng ngẫu nhiên: Giả thiết quá trình dừng, ergodic, phân bố chuẩn; mô tả qua kỳ vọng $M[h]$, phương sai $D(h)$, độ lệch chuẩn $\sigma_h$, hàm tương quan $R(\tau) = R(0)e^{-\alpha|\tau|}\cos(\beta\tau)$ và mật độ phổ $S(\omega)$ qua biến đổi Fourier liên tục: $$R(\tau) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty} S(\omega)e^{j\omega\tau} d\omega$$
  2. Xung lực cơ cấu cắt cỏ rác: Gồm 20 đĩa lắp đồng trục, mỗi đĩa có 2 dao bố trí lệch nhau $45^\circ$ (mỗi vòng quay có 4 lần đập, mỗi lần 10 dao đập đồng thời).
    • Xung lực 1 dao: $S_d = 1,16v$.
    • Góc va đập $\theta = 45^\circ \Rightarrow S_1 = S_2 = S_d\sin 45^\circ = 0,82v$.
    • Tổng xung lực 1 lần đập (10 dao): $S_{d\max} = 8,2v$.
    • Lực kích động $F_1(t), F_2(t)$ tác dụng lên xe là hàm xung tuần hoàn phụ thuộc vận tốc xe $v$, tần số va đập $\omega = 44,4v$, chu kỳ $T_{ck} = \pi / (22,2v)$.

Chỉ tiêu đánh giá động lực học

  • Độ bền chi tiết (Hệ số tải trọng động $k_đ$): $$k_đ = 1 + \frac{\ddot{z}}{g} \le 2,5$$
  • Độ êm dịu chuyển động: Đánh giá qua bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng của thân xe (theo ISO/DIS 2631 và Viện Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Bảo hộ Lao động Việt Nam): $$\sigma_{\ddot{z}} \le 2,5\text{ m/s}^2$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp đo: Đo đại lượng không điện bằng tín hiệu điện sử dụng cảm biến gia tốc, bộ khuếch đại, card chuyển đổi tín hiệu ghép nối máy tính.
  • Xác định mấp mô mặt đất rừng: Phương pháp trực tiếp (cọc tiêu trên đoạn đường 100 m, bước đo 200 mm cho từng vệt bánh xe trái/phải) và phương pháp gián tiếp (sử dụng bánh xe số 5 chuyên dụng kéo theo xe).
  • Xác định thông số kết cấu: Cân trọng lượng, xác định tọa độ trọng tâm, con lắc vật lý đo mômen quán tính $J_{0x}, J_{0y}$, thí nghiệm nén tĩnh và dao động tự do xác định độ cứng lốp ($c_1 = 6.851\text{ N/m}$), độ cứng nhíp trước ($c_{n1} = 514.248\text{ N/m}$), hệ số cản ($k_{n1} = 4.644\text{ Ns/m}$), nhíp sau ($c_{n2}$).
  • Kiểm chứng: Đo gia tốc dao động thân xe $\ddot{z}_0$, góc lắc dọc $\alpha_0$, góc lắc ngang $\beta_0$ ngoài hiện trường để so sánh với mô hình mô phỏng trên Matlab - Simulink 7.7.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày cơ sở pháp lý và thực tiễn của đề tài. Phân tích số liệu cháy rừng tại các vùng trọng điểm (U Minh Hạ, Lào Cai, Hà Nội, Gia Lai, Kon Tum giai đoạn 2007-2013). Giới thiệu nguồn gốc xe chữa cháy rừng đa năng thuộc đề tài KC07.13/06-10 và dự án sản xuất thử nghiệm DAĐL-2011/06. Nêu rõ mục đích nghiên cứu, đối tượng, 4 phạm vi giới hạn, 3 đóng góp khoa học chính và ý nghĩa thực tiễn của luận án.

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Hệ thống hóa cấu tạo và nguyên lý hoạt động của 5 hệ thống công tác trên xe chữa cháy rừng đa năng chế tạo trên nền Ural 4320 (cắt hạ cây, làm sạch cỏ rác, cắt hút phun đất, phun nước téc $5\text{ m}^3$, quạt gió). Trình bày bảng đặc tính kỹ thuật định lượng của xe.

Phân tích các tồn tại kỹ thuật ngoài hiện trường: rung lắc lớn ở tốc độ cao trên nền rừng mấp mô làm kẹt cơ cấu cắt cây, gây mất ổn định và ảnh hưởng hệ thống lái. Tổng quan các công trình nghiên cứu dao động ô tô, máy kéo trong và ngoài nước (Mitschke, Muller, Vogel, Wendeborn, Antônốp, Barski, Varava, Gaichev, Xilaev, Trần Thanh An, Nguyễn Tiến Đạt, Nguyễn Phúc Hiểu, Đào Mạnh Hùng, Võ Văn Hường, Vũ Đức Lập, Lê Minh Lư, Trần Minh Sơn, Nguyễn Văn Trà, Lưu Văn Tuấn, Võ Văn Trung, Nguyễn Nhật Chiêu, Dương Văn Tài). Xác lập 2 chỉ tiêu đánh giá động lực học gồm hệ số tải trọng động ($k_đ \le 2,5$) và bình phương trung bình gia tốc thẳng đứng ($\sigma_{\ddot{z}} \le 2,5\text{ m/s}^2$).

Chương 2: Thiết lập mô hình nghiên cứu dao động xe chữa cháy rừng đa năng

Xây dựng mô hình không gian 10 bậc tự do của xe 3 cầu kết hợp cơ cấu cắt cỏ rác. Thiết lập 14 giả thiết động lực học. Xác định tọa độ vị trí các điểm liên kết khung vỏ và các trục bánh xe.

Xây dựng hệ phương trình động học mô tả quan hệ chuyển vị và biến dạng của hệ thống treo nhíp, lốp ($\delta_{1t}, \delta_{1p}, \delta_{2t}, \delta_{2p}, \delta_{3t}, \delta_{3p}, \delta_4, \delta_{n1t}, \delta_{n1p}, \delta_{n2t}, \delta_{n2p}$). Thiết lập các biểu thức động năng $T$, thế năng đàn hồi $\Pi$, hàm hao tán Rayleigh $\Phi$ và véc-tơ lực suy rộng $Q_i^*$ do phản lực cắt $F_1, F_2$ gây ra.

Áp dụng phương trình Lagrange loại II để rút ra hệ 10 phương trình vi phân dao động dạng ma trận cấp 10 ($[M]\ddot{q} + [K]\dot{q} + [C]q = Q$). Xác định chi tiết các phần tử của ma trận khối lượng $m_{ij}$, ma trận hệ số cản $k_{ij}$ và ma trận độ cứng $c_{ij}$ (trong đó $c_{11} = c_4 + 2(c_{n1} + c_{n2})$, $c_{22} = 2(c_{n1}l_1^2 + c_{n2}l_2^2) + c_4(l_2+l_3)^2$, $c_{77} = 0,5b^2(c_{n1}+c_{n2})$,...).

Chương 3: Khảo sát dao động xe chữa cháy rừng đa năng

Xác định các thông số hình học, khối lượng, độ cứng và cản giảm chấn đầu vào. Mô tả toán học 3 dạng mấp mô biên dạng mặt đất rừng (hàm bậc, hàm điều hòa, hàm ngẫu nhiên dừng ergodic với hàm tương quan $R(\tau)$ và mật độ phổ $S(\omega)$). Xác định xung lực cơ cấu cắt cỏ rác dạng búa va đập: tính toán xung lực cực đại của 1 dao $S_d = 1,16v$, phân rã lực thành phần $S_1 = S_2 = 0,82v$, chu kỳ va đập $T_{ck} = \pi / (22,2v)$ và tổng xung lực $S_{d\max} = 8,2v$.

Ứng dụng phần mềm Matlab - Simulink 7.7 thiết lập chương trình mô phỏng giải hệ phương trình vi phân dao động trong miền thời gian và miền tần số; khảo sát mối quan hệ giữa vận tốc chuyển động $v$, biên độ mấp mô $h_0$ và lực kích động đến gia tốc $\ddot{z}_0$, góc lắc dọc $\alpha_0$, góc lắc ngang $\beta_0$.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Thực hiện các thí nghiệm xác định thông số thực tế của xe và địa hình rừng:

  1. Xác định tọa độ trọng tâm xe chở đầy nước và mômen quán tính thân xe $J_{0x}, J_{0y}$.
  2. Xác định độ cứng và hệ số cản của lốp trước ($c_1, k_1$), độ cứng tương đương và độ cứng nhíp trước ($c_{n1} = 514.248\text{ N/m}$, $k_{n1} = 4.644\text{ Ns/m}$), đo biến dạng tĩnh xác định độ cứng nhíp sau ($c_{n2}$).
  3. Đo mấp mô mặt đất rừng bằng phương pháp trực tiếp (thước đo, cọc tiêu bước 200 mm trên chiều dài 100 m) và gián tiếp (bánh xe số 5) tại núi Luốt, Gia Lai, Kon Tum; tính toán kỳ vọng, phương sai, vẽ hàm tương quan thực nghiệm.
  4. Đo đạc các thông số động lực học đầu ra ($\ddot{z}_0, \alpha_0, \beta_0$) khi xe chạy trên địa hình thực tế để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình lý thuyết.

Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt lý thuyết mô hình hóa không gian và dữ liệu đo đạc thực nghiệm. Đề xuất chế độ vận tốc làm việc an toàn, hợp lý cho xe khi vừa di chuyển vừa cắt cỏ rác trên nền đất rừng. Kiến nghị ứng dụng kết quả để cải tiến hệ thống treo và kết cấu công tác trong dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước DAĐL-2011/06.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xây dựng mô hình dao động không gian hoàn chỉnh (3D): Thiết lập thành công mô hình động lực học không gian 10 bậc tự do cho xe chữa cháy rừng 3 cầu chủ động chịu tác động đồng thời của kích động động học (mặt đất rừng ngẫu nhiên/điều hòa) và kích động động lực học (xung lực phay cắt cỏ rác tuần hoàn).
  2. Thiết lập hệ phương trình vi phân và thuật toán mô phỏng: Áp dụng phương trình Lagrange loại II xây dựng hệ phương trình vi phân dao động cấp hai không thuần nhất dạng ma trận ($[M], [K], [C]$ cấp $10 \times 10$); xây dựng chương trình mô phỏng số trên phần mềm Matlab - Simulink 7.7 khảo sát phản ứng động lực học trong miền thời gian và tần số.
  3. Phương pháp và dữ liệu thực nghiệm chuyên biệt: Ứng dụng phương pháp đo đạc hiện đại xác định chính xác các thông số kết cấu (tọa độ trọng tâm, mômen quán tính, độ cứng lốp $c_1$, độ cứng nhíp $c_{n1}, c_{n2}$) và đặc trưng thống kê biên dạng mặt đất rừng đặc thù tại Việt Nam (núi Luốt, Tây Nguyên).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kiến nghị

  • Cơ sở khoa học cho vận hành: Cung cấp quy luật biến thiên của gia tốc dao động, góc lắc dọc, góc lắc ngang theo vận tốc di chuyển và độ mấp mô, từ đó xác lập dải vận tốc và chế độ làm việc tối ưu, đảm bảo độ bền chi tiết ($k_đ \le 2,5$) và độ êm dịu ($\sigma_{\ddot{z}} \le 2,5\text{ m/s}^2$).
  • Ứng dụng chế tạo thực tế: Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trực tiếp vào việc hoàn thiện thiết kế, kết cấu cơ khí của xe trong khuôn khổ Dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước: "Hoàn thiện công nghệ và thiết kế chế tạo một số thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng" (mã số DAĐL-2011/06).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo phạm vi và các giả thiết được tác giả xác định trong văn bản:

  • Hạn chế về chế độ chuyển động: Luận án chỉ khảo sát ở chế độ chuyển động thẳng đều với vận tốc không đổi ($v = \text{const}$) trong trạng thái bình ổn; chưa xét đến các giai đoạn chuyển tiếp như khởi động, phanh hãm, quay vòng hoặc chuyển động trên dốc nghiêng phức tạp.
  • Hạn chế về tổ hợp thiết bị công tác: Mô hình chỉ xét trường hợp duy nhất là xe vừa di chuyển vừa vận hành cơ cấu cắt cỏ rác phía sau; chưa mô hình hóa dao động khi các hệ thống khác hoạt động đồng thời (như vừa chạy vừa cưa cây phía trước, hoặc vừa chạy vừa đào hút phun đất).
  • Hạn chế về đặc tính vật liệu: Coi lốp và nhíp có đặc tính đàn hồi tuyến tính, bỏ qua cản giảm chấn của nhíp sau và giả thiết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đất là tiếp xúc điểm trên nền đất cứng tuyệt đối.
  • Hạn chế về địa bàn thực nghiệm: Do điều kiện thực tế, nghiên cứu thực nghiệm mới thực hiện tại một số địa điểm đại diện (núi Luốt, Kon Tum, Gia Lai), chưa bao phủ toàn bộ các kiểu lập địa và trạng thái rừng trên cả nước.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho các nhóm đối tượng:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Kỹ thuật cơ khí, Cơ khí động lực, Máy lâm nghiệp: Tham khảo phương pháp luận thiết lập phương trình Lagrange loại II cho hệ cơ học nhiều bậc tự do không gian, phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên trên Matlab - Simulink và kỹ thuật đo đạc mấp mô mặt đất.
  2. Kỹ sư thiết kế, chế tạo máy chuyên dùng: Sử dụng các ma trận độ cứng, ma trận khối lượng và thông số thực nghiệm để tính toán, tối ưu hóa hệ thống treo và khung vỏ cho các dòng xe tải nhiều cầu hoạt động trên địa hình không có đường.
  3. Cán bộ quản lý kỹ thuật phòng cháy chữa cháy rừng, cơ quan quản lý lâm nghiệp: Tham khảo các giới hạn vận tốc di chuyển, độ dốc cho phép và quy trình vận hành xe an toàn, nâng cao tuổi thọ phương tiện và hiệu quả dập lửa thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Xe chữa cháy rừng đa năng trong luận án được phát triển dựa trên nền xe cơ sở nào và có những hệ thống chữa cháy chuyên dụng nào?

Xe được thiết kế trên nền xe sát-xi ô tô tải Ural 4320 (3 cầu chủ động, động cơ Diesel 180 mã lực). Xe tích hợp 5 hệ thống chuyên dụng:

  • Hệ thống cắt cây phía trước (3 đĩa cưa $\Phi 500\text{ mm}$, động cơ thủy lực $8\text{ kW}$, vận tốc cắt $80\text{ m/s}$, cắt cây đường kính đến $25\text{ cm}$).
  • Hệ thống làm sạch cỏ rác phía sau (20 đĩa, 40 dao búa, $\Phi 400\text{ mm}$, động cơ $30\text{ kW}$, tạo băng cản lửa rộng $2\text{ m}$).
  • Hệ thống cắt, hút và phun đất cát gầm xe (4 dao búa, công suất $8\text{ kW}$, sâu $400\text{ mm}$, ống phun dài $35\text{ m}$, năng suất $45\text{ kg/phút}$).
  • Hệ thống chữa cháy bằng nước (téc chứa $5\text{ m}^3$, bơm lưu lượng $30\text{ m}^3/\text{h}$, lăng giá và 5 cuộn vòi dài tổng cộng $100\text{ m}$).
  • Hệ thống chữa cháy bằng sức gió (quạt gió lưu lượng $104\text{ m}^3/\text{phút}$, vận tốc khí miệng thổi $65\text{ m/s}$).

2. Mô hình dao động không gian của xe chữa cháy rừng đa năng gồm bao nhiêu bậc tự do và gồm các tọa độ suy rộng nào?

Mô hình gồm 10 bậc tự do tương ứng với 10 tọa độ suy rộng ($q_1 \dots q_{10}$):

  • Thân xe ($m_0$): Chuyển vị thẳng đứng $z_0$, góc lắc dọc $\alpha_0$, góc lắc ngang $\beta_0$.
  • Cầu trước ($m_1$): Chuyển vị thẳng đứng $z_1$, góc lắc ngang $\beta_1$.
  • Cầu giữa ($m_2$): Chuyển vị thẳng đứng $z_2$, góc lắc ngang $\beta_2$.
  • Cầu sau ($m_3$): Chuyển vị thẳng đứng $z_3$, góc lắc ngang $\beta_3$.
  • Trọng tâm cơ cấu cắt cỏ rác ($m_4$): Chuyển vị thẳng đứng $z_4$.

3. Nguồn kích động gây dao động cho xe được mô hình hóa như thế nào?

Gồm 2 nguồn kích động chính:

  • Kích động động học từ mấp mô mặt đất rừng: Mô hình hóa dưới dạng hàm bậc, hàm điều hòa và hàm ngẫu nhiên dừng ergodic phân bố chuẩn (xác định qua hàm tương quan thực nghiệm $R(\tau) = R(0)e^{-\alpha|\tau|}\cos(\beta\tau)$ và mật độ phổ $S(\omega)$).
  • Kích động động lực học từ cơ cấu phay cắt cỏ rác: Là hàm xung tuần hoàn theo thời gian, có chu kỳ $T_{ck} = \pi / (22,2v)$ và tần số $\omega = 44,4v$, tổng xung lực cực đại một lần đập (10 dao đồng thời) là $S_{d\max} = 8,2v$ (phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc xe $v$).

4. Luận án sử dụng các chỉ tiêu nào để đánh giá động lực học và độ an toàn của xe?

  • Chỉ tiêu độ bền chi tiết: Đánh giá qua hệ số tải trọng động $k_đ = 1 + \frac{\ddot{z}}{g} \le 2,5$.
  • Chỉ tiêu độ êm dịu chuyển động: Đánh giá qua bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng của thân xe $\sigma_{\ddot{z}} \le 2,5\text{ m/s}^2$ (theo tiêu chuẩn ISO/DIS 2631 và quy chuẩn của Viện Khoa học Kỹ thuật Bảo hộ Lao động Việt Nam).

5. Kết quả nghiên cứu của luận án được ứng dụng vào dự án thực tế nào?

Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trực tiếp để xác định chế độ làm việc hợp lý và hoàn thiện thiết kế kết cấu trong Dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước: "Hoàn thiện công nghệ và thiết kế chế tạo một số thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng" (mã số DAĐL-2011/06).

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Xã Hội đã giải quyết trọn vẹn bài toán động lực học không gian 10 bậc tự do cho xe chữa cháy rừng đa năng phát triển trên nền Ural 4320 khi vận hành trên địa hình rừng không có đường. Tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp giải tích lý thuyết (phương trình Lagrange loại II, mô phỏng số Matlab - Simulink) với phương pháp thực nghiệm đo đạc hiện đại ngoài hiện trường tại vùng núi phía Bắc và Tây Nguyên. Công trình đã cung cấp cơ sở khoa học định lượng về dao động, tải trọng động và độ êm dịu, phục vụ trực tiếp cho việc hoàn thiện thiết kế chế tạo phương tiện trong dự án cấp Nhà nước DAĐL-2011/06.