Tổng quan luận án

Đề tài "Nghiên cứu hệ thống treo thủy khí xe tải khai thác mỏ theo hướng nâng cao độ êm dịu" do nghiên cứu sinh Lê Xuân Long thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Văn Quỳnh và PGS. Nguyễn Văn Tuấn, thuộc ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực (mã số: 9.16). Luận án được hoàn thành vào năm 2025.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Xe tải khai thác mỏ là phương tiện vận tải hạng nặng hoạt động thường xuyên trong điều kiện địa hình phức tạp, mặt đường phi quốc lộ ("Off-Highway") có biên độ mấp mô mặt nền lớn, tần số kích thích thấp và mặt nền đường thường xuyên trượt, biến dạng. Các nguồn dao động từ mấp mô mặt đường truyền qua lốp xe, hệ thống treo đến khung xe, cabin và ghế ngồi người điều khiển. Tần số dao động kích thích này nằm trong dải tần số thấp, dễ gây ra hiện tượng cộng hưởng với các bộ phận cơ thể con người (vốn có tần số dao động riêng từ 0,5 Hz đến 80 Hz, đặc biệt dải 4 Hz đến 10 Hz chịu ảnh hưởng tiêu cực nhất). Tình trạng này làm người vận hành mệt mỏi, giảm năng suất lao động và tiềm ẩn nguy cơ mắc các bệnh nghề nghiệp về cơ xương khớp, cột sống.

Để khắc phục hiện tượng trên, hệ thống treo thủy khí (HTTTK) dạng thanh chống được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng kết hợp tính đàn hồi phi tuyến của khí nén và tính giảm chấn dập tắt dao động của chất lỏng. Tuy nhiên, tính chất cơ lý của HTTTK có độ phi tuyến cao, phụ thuộc vào kết cấu hình học, quá trình nhiệt động của khí và thủy lực chất lỏng. Trong nước, các công trình nghiên cứu về hệ thống treo ô tô chủ yếu tập trung vào hệ thống treo nhíp, cao su hoặc treo khí nén trên xe khách, xe rơ moóc hoạt động trên đường quốc lộ; nghiên cứu về HTTTK cho xe chuyên dụng mỏ còn rất hạn chế. Trên thế giới, các nghiên cứu đã phân tích đặc tính HTTTK nhưng việc khảo sát toàn diện đặc tính phi tuyến trên mô hình không gian toàn xe kết hợp đo kiểm thực nghiệm tại hiện trường mỏ thực tế và tối ưu hóa đa mục tiêu thông số kết cấu vẫn chưa được giải quyết đồng bộ. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu về HTTTK cho xe tải mỏ nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là xây dựng mô hình toán học phi tuyến, mô hình dao động không gian toàn xe tải mỏ, thực hiện đo kiểm thực nghiệm hiện trường và tối ưu hóa các thông số kết cấu của HTTTK nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động cho xe. Các mục tiêu cụ thể được triển khai theo các nội dung chính:

  1. Xây dựng mô hình toán học phi tuyến của HTTTK cầu trước và cầu sau nhằm xác định lực theo phương thẳng đứng.
  2. Xây dựng mô hình dao động không gian toàn xe tải khai thác mỏ 11 bậc tự do có xét đến đặc tính phi tuyến của HTTTK dưới các dạng kích thích mặt đường khác nhau.
  3. Mô phỏng, khảo sát đặc tính lực đàn hồi, lực giảm chấn, lực ma sát và lực tổng hợp; phân tích ảnh hưởng của điều kiện khai thác (vận tốc, tải trọng, mấp mô mặt đường) và thông số kết cấu đến độ êm dịu.
  4. Thiết lập thí nghiệm đo dao động trên xe thực tế tại công trường mỏ than để đánh giá hiệu quả giảm chấn của HTTTK, đánh giá độ êm dịu ghế người lái theo tiêu chuẩn quốc tế và kiểm chứng độ chính xác của mô hình toán học đề xuất.
  5. Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu bầy đàn (MOPSO) kết hợp tập nghiệm Pareto để tìm bộ thông số thiết kế tối ưu của HTTTK, kiểm chứng hiệu quả nâng cao độ êm dịu sau tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống treo thủy khí bị động và xe tải khai thác mỏ Caterpillar 773E (CAT773E).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian và thực địa: Khảo sát động lực học trên toàn bộ kết cấu xe CAT773E hoạt động tại công trường Mỏ than Khánh Hòa, Thái Nguyên, Việt Nam.
    • Giới hạn kỹ thuật: Luận án tập trung vào hệ thống treo thủy khí bị động, xét đặc tính phi tuyến phụ thuộc vào các thông số thiết kế kết cấu với môi chất dầu thủy lực 10W và khí nén xác định. Nghiên cứu đưa ra các giả thiết: nhiệt độ môi chất không đổi trong quá trình làm việc, dầu không chịu nén, quá trình biến đổi trạng thái của khí trong bình là quá trình đoạn nhiệt. Các hệ thống cơ khí khác trên xe (lốp xe, hệ thống treo cabin, đệm ghế ngồi) được coi là hệ thống tuyến tính.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về hệ thống treo ô tô trong nước đã ghi nhận nhiều công trình sử dụng các công cụ giải tích và mô phỏng số:

  • Về hệ thống treo khí nén: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Gensys đánh giá tính thân thiện mặt đường của hệ thống treo khí nén (2017) [24]; luận án tiến sĩ của Trương Mạnh Hùng (2017) [25] khảo sát mô hình dao động không gian xe khách có hệ thống treo khí nén trên đường quốc lộ; luận án tiến sĩ của Vũ Thành Niêm (2021) [26] thiết lập mô hình không gian đoàn xe rơ moóc đánh giá hệ thống treo khí nén so với treo nhíp nhằm giảm tải trọng động bánh xe; luận văn thạc sĩ của Lương Xuân Hải (2023) [27] khảo sát mô hình dao động không gian xe tải mỏ dưới kích thích điều hòa cosin để so sánh HTTTK với treo nhíp và cao su.
  • Về phương pháp mô hình hóa dao động xe: Võ Văn Hường (2004) [28, 29] đã so sánh mô hình thân xe tấm phẳng tuyệt đối cứng và mô hình xét đến dao động xoắn thân xe, chứng minh sai khác giữa hai mô hình là không đáng kể nhưng mô hình xoắn làm tăng độ phức tạp tính toán; Phùng Mạnh Cường (2022) [30] thiết lập mô hình dao động thẳng đứng xét đến hiện tượng mất liên kết bánh xe và mặt đường địa hình phức tạp.
  • Về tối ưu hóa và điều khiển hệ thống treo: Trần Thanh An (2012) [31] áp dụng tối ưu đa mục tiêu cho hệ thống treo xe khách; Nguyễn Văn Tuấn và cộng sự (2020) [32, 33] tối ưu thông số treo khí nén đoàn rơ moóc bằng thuật toán di truyền (GA); Trương Mạnh Hùng (2022) [34] tối ưu đa mục tiêu có trọng số cho treo khí nén xe khách; Vũ Hải Quân và Lê Hữu Chúc (2020) [35] thiết kế bộ điều khiển toàn phương tuyến tính LQR cho hệ thống treo chủ động mô hình toàn xe; Nguyễn Trung Kiên (2023) [36] áp dụng điều khiển LQR cho giảm chấn từ biến MRD trên hệ thống treo bán chủ động; Nguyễn Tuấn Anh và cộng sự (2023) [37] nghiên cứu điều khiển trượt (SMC) cho hệ thống treo chủ động.

Các hướng nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu quốc tế về HTTTK và động lực học xe tải mỏ phát triển qua nhiều giai đoạn với các hướng tiếp cận chính:

  • Đặc tính phi tuyến của HTTTK: Zhou Changfeng (2007) [38] nghiên cứu hệ thống treo cao su cho xe mỏ nhưng nhận thấy khả năng dập tắt dao động tần số thấp hạn chế do nội ma sát nhỏ; Lu và cộng sự (2010) [39] phân tích ảnh hưởng của đường kính và số lỗ tiết lưu đến lực cản phi tuyến; Zhang Peng và cộng sự (2016) [40] nghiên cứu tác động của thể tích khí ban đầu; Yin và cộng sự (2018, 2020, 2023) [41-43] phân tích cấu trúc khoang hỗn hợp dầu-khí, ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số kích thích bằng mô phỏng và thực nghiệm; Li và cộng sự (2024) [44] đề xuất HTTTK có độ cứng biến thiên liên tục qua pít tông điều khiển buồng khí; Seifi và cộng sự (2025) [45] nghiên cứu mô hình nhũ tương dầu-khí kết hợp ma sát LuGre phụ thuộc áp suất.
  • Mô hình dao động xe tải mỏ: Các tác giả xây dựng mô hình giải tích nửa xe hoặc toàn xe như Zhang và cộng sự (2011) [46], Yang và cộng sự (2011, 2015) [47, 48], Sun và cộng sự (2021) [49], Li và cộng sự (2024) [50], Zhang và cộng sự (2019) [51]. Phương pháp mô hình hóa ảo sử dụng phần mềm chuyên dụng như ADAMS được Prem (1998) [52], Li và Frimpong (2008) [53], Kansake (2019) [57] triển khai; phần mềm AMESim được Zhang và cộng sự (2013) [54], Tian-hong Luo và cộng sự (2015) [56], Xiao-Liang Zhang và cộng sự (2021) [58] sử dụng. Phương pháp đồng mô phỏng kết hợp giữa ADAMS/AMESim và Matlab/Simulink được Kahraman Küçük và cộng sự (2016) [59], Wenlong và cộng sự (2017) [60], Awad và cộng sự (2018) [61], Jayaraman (2023) [62] phát triển.
  • Tối ưu hóa và điều khiển HTTTK xe mỏ: Gong và cộng sự (2015) [63] dùng mô hình VRPEI-Kriging; Kwon và cộng sự (2019) [64], Wu và cộng sự (2020) [65], Zhanlong và cộng sự (2024) [67] áp dụng các giải thuật tối ưu đa mục tiêu; Yang và cộng sự (2023, 2024) [68, 69] ứng dụng giải thuật di truyền NSGA-II và giải thuật bầy đàn MOPSO. Về điều khiển HTTTK tích cực và bán chủ động, các thuật toán PID mờ, GA-PID, MPC và trí tuệ nhân tạo (AI/ML) được nghiên cứu bởi Feng và cộng sự (2008, 2014) [70, 71], Yue và cộng sự (2017) [72], Ali và cộng sự (2018) [73], Yang và cộng sự (2021) [74].

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Mặc dù số lượng công trình trong và ngoài nước tương đối phong phú, phần lớn các nghiên cứu trong nước chưa xem xét đầy đủ bản chất phi tuyến phức hợp của HTTTK trên dòng xe siêu trọng hoạt động tại địa hình mỏ Việt Nam. Các nghiên cứu quốc tế thường tập trung vào mô hình hóa ảo cục bộ hoặc khảo sát 1/4 xe, thiếu sự kết hợp đồng bộ giữa mô hình dao động không gian toàn xe 11 bậc tự do có xét đầy đủ các yếu tố phi tuyến của HTTTK với việc kiểm chứng bằng thực nghiệm đo đạc thực địa tại mỏ than lộ thiên và tối ưu hóa thông số thiết kế kết cấu dựa trên tập nghiệm Pareto. Luận án lựa chọn giải quyết trực tiếp khoảng trống này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình động lực học HTTTK

Lực tổng hợp theo phương thẳng đứng ($F_{hi}$) của HTTTK được xác định bằng tổng của lực đàn hồi khí nén ($F_{ki}$), lực giảm chấn thủy lực ($F_{ci}$) và lực ma sát giữa pít tông và xi lanh ($F_{fi}$): $$F_{hi} = F_{ki} + F_{ci} + F_{fi}$$

  1. Lực đàn hồi khí nén ($F_{ki}$): Hình thành do sự biến thiên thể tích và áp suất khí trong khoang khí A, tuân theo định luật nhiệt động lực học cho quá trình đoạn nhiệt ($p V^n = \text{const}$, với $n$ là hằng số đoạn nhiệt):
  • Đối với HTTTK cầu trước: $$F_{ki} = p_{01} \left[ \left( \frac{V_{01}}{V_{01} + A_{b1}(z_{bi} - z_{ai})} \right)^n - 1 \right] A_{b1}$$ Trong đó: $p_{01}, V_{01}$ lần lượt là áp suất và thể tích ban đầu của khoang khí ở trạng thái tĩnh; $A_{b1}$ là diện tích pít tông ứng với đường kính ngoài $d_{b1}$; $(z_{bi} - z_{ai})$ là chuyển vị tương đối giữa thân xe và cầu xe.
  • Đối với HTTTK cầu sau: $$F_{ki} = p_{02} \left[ \left( \frac{V_{02}}{V_{02} + A_{b2}(z_{bi} - z_{ai})} \right)^n - 1 \right] A_{b2}$$ Thể tích khí ở trạng thái không tải liên hệ với thể tích dầu nạp ban đầu qua biểu thức: $V_{0air} = V - V_{0oil}$.
  1. Lực giảm chấn thủy lực ($F_{ci}$): Hình thành do tổn thất áp suất khi dòng dầu chảy qua lỗ tiết lưu diện tích $A_{11}$ (hoặc $A_{12}$) và qua van một chiều diện tích $A_{21}$ (hoặc $A_{22}$). Van một chiều mở ở hành trình nén và đóng ở hành trình trả:
  • Đối với cầu trước: $$F_{ci} = - \frac{\rho (A_{a1} - A_{b1})^3 (\dot{z}{bi} - \dot{z}{ai})^2 \text{sign}(\dot{z}{bi} - \dot{z}{ai})}{2 C_d^2 \left( A_{11} + A_{21} \frac{1 - \text{sign}(\dot{z}{bi} - \dot{z}{ai})}{2} \right)^2}$$
  • Đối với cầu sau: $$F_{ci} = - \frac{\rho (A_{c2} - A_{b2})^3 (\dot{z}{bi} - \dot{z}{ai})^2 \text{sign}(\dot{z}{bi} - \dot{z}{ai})}{2 C_d^2 \left( A_{12} + A_{22} \frac{1 - \text{sign}(\dot{z}{bi} - \dot{z}{ai})}{2} \right)^2}$$ Trong đó: $\rho$ là khối lượng riêng của dầu; $C_d$ là hệ số lưu lượng của lỗ tiết lưu; $\text{sign}(\cdot)$ là hàm dấu xác định chiều chuyển động.
  1. Lực ma sát pít tông - xi lanh ($F_{fi}$): Được xác định theo lý thuyết ma sát ướt thủy động: $$F_{fi} = - \mu \frac{\pi d_{c} L}{h} (\dot{z}{bi} - \dot{z}{ai})$$ Với $h$ là chiều dày màng dầu; $d_c, L$ là đường kính và chiều dài tiếp xúc của pít tông; hệ số nhớt động lực học $\mu$ của dầu 10W phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, được tính theo công thức thực nghiệm với $\mu_0 = 0,1 \text{ N.s/m}^2$, hệ số nhớt-nhiệt $\alpha = 2,19$, hệ số nhớt-áp suất $\beta = 0,0467 \text{ K}^{-1}$.

Mô hình dao động không gian toàn xe 11 bậc tự do

Mô hình dao động không gian toàn xe CAT773E được thiết lập với 11 bậc tự do độc lập:

  • Khối lượng thân xe ($m_b$): chuyển vị đứng $z_b$, góc lắc dọc $\varphi_b$, góc lắc ngang $\theta_b$.
  • Khối lượng cabin ($m_c$): chuyển vị đứng $z_c$, góc lắc dọc $\varphi_c$, góc lắc ngang $\theta_c$.
  • Khối lượng ghế người điều khiển ($m_s$): chuyển vị đứng $z_s$.
  • Khối lượng cầu trước ($m_{af}$): chuyển vị đứng $z_{af}$, góc lắc ngang $\theta_{af}$.
  • Khối lượng cầu sau ($m_{ar}$): chuyển vị đứng $z_{ar}$, góc lắc ngang $\theta_{ar}$.

Các hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến mô tả dao động của toàn xe được thiết lập dựa trên nguyên lý D'Alembert và định luật Newton, liên kết các lực $F_{hi}$, lực đàn hồi và cản của lốp xe ($k_{ti}, c_{ti}$), hệ thống treo cabin ($k_i, c_i$) và ghế lái ($k_s, c_s$).

Phương pháp nghiên cứu và chỉ tiêu đánh giá

  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên nền tảng Matlab/Simulink. Kích thích mấp mô mặt đường được khảo sát dưới dạng sóng điều hòa, mấp mô nửa hình sin đơn/đôi và mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8068:2016 (cấp D và cấp E).
  • Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện đo đạc trực tiếp trên xe tải CAT773E tại Mỏ than Khánh Hòa. Sử dụng hệ thống thu thập và xử lý tín hiệu DEWEsoft, cảm biến đo gia tốc ba phương dạng đĩa đặt tại đệm ghế lái, cảm biến gia tốc ba phương Kistler 8788A050B và cảm biến một phương Kistler 8740A050B bố trí tại các vị trí trên và dưới HTTTK.
  • Phương pháp tối ưu hóa: Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu (MOPSO) kết hợp xây dựng biên Pareto để tìm kiếm các thông số kết cấu tối ưu gồm áp suất nạp ban đầu $p_0$ và thể tích dầu nạp $V_{0oil}$.
  • Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu: Sử dụng tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 và TCVN 6964-1:2001. Gia tốc bình phương trung bình trọng số toàn phần ($a_w$) được xác định bởi: $$a_w = \sqrt{k_x^2 a_{wx}^2 + k_y^2 a_{wy}^2 + k_z^2 a_{wz}^2}$$ Trong đó các hệ số trọng số theo các phương là $k_x = k_y = 1,4$ và $k_z = 1,0$.
TT Giá trị $a_w$ ($\text{m/s}^2$) Cấp độ đánh giá chủ quan theo ISO 2631-1
1 $< 0,315$ Thoải mái
2 $0,315 \div 0,63$ Một chút khó chịu
3 $0,5 \div 1,0$ Khá khó chịu
4 $0,8 \div 1,6$ Không thoải mái
5 $1,25 \div 2,5$ Rất khó chịu
6 $> 2,0$ Cực kỳ khó chịu

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về xe tải khai thác mỏ và vai trò của hệ thống treo đối với sức khỏe con người và tính an toàn kỹ thuật:

  • Thực trạng và bối cảnh: Thống kê năm 2024 có khoảng 58.800 xe tải khai thác mỏ tải trọng từ 90 tấn trở lên đang hoạt động trên toàn cầu; quy mô thị trường dự báo đạt 38 tỷ USD vào năm 2029 với tốc độ tăng trưởng CAGR 5,73%. Tại Việt Nam, dòng xe Caterpillar chiếm tỷ trọng lớn tại các mỏ than lộ thiên (khoảng 41 xe tại Mỏ than Khánh Hòa và 43 xe tại Mỏ than Đèo Nai).
  • Chu trình vận hành và điều kiện mỏ: Chu trình làm việc điển hình gồm 4 giai đoạn: xe chạy không tải đến khai trường $\rightarrow$ đứng yên xúc tải $\rightarrow$ xe chở đầy tải về bãi thải/kho $\rightarrow$ đứng yên dỡ tải. Địa hình mặt đường gồ ghề, lồi lõm, biên độ mấp mô lớn tạo kích thích dao động tần số thấp.
  • Tác động sinh học của dao động: Cơ thể con người có tần số dao động riêng dưới 100 Hz. Các bộ phận như cột sống, bụng, ngực, bàn tay có tần số dao động riêng dưới 20 Hz, chịu tác động tiêu cực nhất trong khoảng 4 Hz đến 10 Hz. Dao động tần số thấp từ mặt đường mỏ truyền qua kết cấu xe gây cộng hưởng, dẫn đến mệt mỏi và tổn thương sức khỏe nghề nghiệp.
  • Lựa chọn tiêu chí đánh giá: Luận án phân tích 4 phương pháp đánh giá khách quan quốc tế (BS 6841, ISO 2631-1, VDI 2057, AAP) và lựa chọn tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 / TCVN 6964-1:2001 làm cơ sở tính toán giá trị gia tốc bình phương trung bình trọng số $a_w$.

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG TOÀN XE

Chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa toán học và phân tích động lực học hệ thống:

  • Xây dựng mô hình HTTTK: Thiết lập sơ đồ nguyên lý và công thức tính toán lực đứng cho HTTTK cầu trước và cầu sau của xe CAT773E. Cả hai cụm treo đều gồm 1 khoang khí nén A và 2 khoang chứa chất lỏng B, C, kết nối qua hệ thống van tiết lưu và van một chiều.
  • Thiết lập mô hình không gian 11 bậc tự do: Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của thân xe, cabin, ghế lái và hai cầu xe dưới dạng ma trận trên Matlab/Simulink.
  • Phân tích đặc tính phi tuyến: Kết quả mô phỏng thể hiện rõ tính phi tuyến của đường đặc tính lực đàn hồi và lực giảm chấn. Ở hành trình nén, lực đàn hồi tăng phi tuyến theo quy luật hàm mũ đoạn nhiệt; ở hành trình trả, áp suất buồng khí giảm chậm dần. Lực giảm chấn có sự chênh lệch lớn giữa hành trình nén và trả do sự đóng/mở của van một chiều, tạo đường cong trễ đặc trưng giúp dập tắt nhanh dao động.
  • Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện khai thác:
    • Ảnh hưởng của vận tốc: Khi vận tốc tăng từ 30 km/h lên 50 km/h, các giá trị gia tốc bình phương trung bình ghế lái ($a_{ws}$), gia tốc góc lắc dọc cabin ($a_{w\varphi c}$) và góc lắc ngang cabin ($a_{w\theta c}$) đều tăng mạnh.
    • Ảnh hưởng của cấp mặt đường: Khảo sát trên đường ISO 8068:2016 cấp D và cấp E cho thấy độ mấp mô mặt đường càng xấu thì mức độ dao động càng tăng cao.
    • Ảnh hưởng của tải trọng: Khi xe chạy đầy tải, khối lượng được treo tăng làm giảm tần số dao động riêng của thân xe, giúp các giá trị gia tốc dao động thẳng đứng tại ghế lái thấp hơn so với khi xe không tải.
  • Ảnh hưởng của thông số kết cấu: Thể tích dầu nạp ban đầu ($V_{0oil}$) và áp suất khí nạp ban đầu ($p_{0air}$) ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng tĩnh và động của HTTTK. Việc tăng $V_{0oil}$ làm giảm thể tích khí ban đầu $V_{0air}$, dẫn đến đường đặc tính đàn hồi dốc hơn, làm tăng độ cứng của hệ thống treo.

Chương 3: THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ ÊM DỊU VÀ KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm hiện trường và đối chứng kết quả:

  • Thiết lập thực nghiệm: Thí nghiệm được tiến hành trên xe tải CAT773E tại Mỏ than Khánh Hòa. Hệ thống thiết bị đo gồm bộ thu thập tín hiệu DEWEsoft, máy tính hiện trường, cảm biến gia tốc ba phương dạng đĩa đặt trên bề mặt ghế lái, các cảm biến Kistler 8788A050B và 8740A050B lắp tại cầu trước, cầu sau, khung xe và sàn cabin.
  • Các phương án thí nghiệm: Thực hiện theo các phương án (PATN1, PATN3) trên đoạn đường thử có mấp mô hình sin đơn/đôi và trên tuyến đường mỏ thực tế, ở hai trạng thái: không tải (TH1) và đầy tải (TH2), tại các dải vận tốc 10, 15, 20, 25, 30, 40 km/h.
  • Đánh giá hiệu quả giảm chấn của HTTTK: So sánh tín hiệu gia tốc thẳng đứng đỉnh ($a_{zmax}$), gia tốc bình phương trung bình ($a_{wz}$) và mật độ phổ công suất gia tốc đỉnh ($PSD(a_{zmax})$) giữa vị trí dưới hệ thống treo (cầu xe: B4, B8) và vị trí trên hệ thống treo (khung xe: B3, B7). Kết quả đo chứng minh HTTTK hấp thụ xung lực hiệu quả, làm suy giảm từ 50% đến trên 70% biên độ gia tốc truyền từ cầu xe lên thân xe tùy theo dải vận tốc và tải trọng.
  • Đánh giá độ êm dịu ghế ngồi theo ISO 2631-1: Giá trị $a_{w}$ tại ghế lái ở trạng thái không tải dao động trong dải từ $0,8 \text{ m/s}^2$ đến trên $2,0 \text{ m/s}^2$ khi vận tốc tăng cao (thuộc cấp "Không thoải mái" đến "Cực kỳ khó chịu"). Ở trạng thái đầy tải, giá trị $a_w$ giảm rõ rệt, cải thiện về mức "Khá khó chịu" và "Một chút khó chịu" ở các dải vận tốc thấp.
  • Kiểm chứng mô hình toán học: Tiến hành so sánh đồ thị gia tốc theo miền thời gian, phổ tần số PSD và tính toán sai số tương quan ($e_{rms}$) giữa kết quả mô phỏng số và số liệu thực nghiệm tại các trạng thái (TT10, TT11, TT20, TT21). Sai số tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép, đồ thị đáp ứng có sự tương đồng cao về biên độ và quy luật biến thiên, khẳng định độ tin cậy của mô hình toán 11 bậc tự do.

Chương 4: TỐI ƯU THÔNG SỐ HỆ THỐNG TREO THỦY KHÍ

Chương 4 giải quyết bài toán tối ưu hóa thông số hình học và cơ lý của HTTTK:

  • Thiết lập bài toán tối ưu đa mục tiêu: Xây dựng hàm mục tiêu tổng thể nhằm giảm thiểu đồng thời 3 chỉ tiêu: gia tốc bình phương trung bình ghế lái ($a_{ws}$), gia tốc góc lắc dọc cabin ($a_{w\varphi c}$) và gia tốc góc lắc ngang cabin ($a_{w\theta c}$).
  • Biến tối ưu và ràng buộc: Các biến tối ưu gồm áp suất nạp ban đầu ($p_{01}, p_{02}$) và thể tích dầu nạp ban đầu ($V_{0oil1}, V_{0oil2}$) cho cả cụm treo cầu trước và cầu sau. Miền giới hạn của biến được xác định dựa trên điều kiện hành trình làm việc của pít tông, giới hạn bền kết cấu và không gian lắp đặt thực tế của xe CAT773E.
  • Thuật toán MOPSO và biên Pareto: Ứng dụng giải thuật bầy đàn đa mục tiêu (Multi-Objective Particle Swarm Optimization) để quét không gian nghiệm và thiết lập tập nghiệm không trội Pareto dưới các điều kiện vận hành chuẩn (ĐK1, ĐK2). Bộ thông số tối ưu được lựa chọn từ tập nghiệm Pareto nhằm cân bằng tốt nhất giữa độ êm dịu thẳng đứng và độ ổn định lắc góc của cabin.
  • Đánh giá hiệu quả sau tối ưu: Tiến hành mô phỏng kiểm chứng mô hình toàn xe với bộ thông số sau tối ưu dưới các điều kiện biến đổi về tải trọng (không tải, đầy tải), vận tốc chuyển động (10 đến 50 km/h) và cấp mặt đường (ISO cấp D và E). Kết quả cho thấy các chỉ tiêu $a_{ws}$, $a_{w\varphi c}$ và $a_{w\theta c}$ đều giảm đáng kể so với trước khi tối ưu, giúp nâng cao độ êm dịu và tăng tính an toàn chuyển động cho xe trong toàn bộ dải làm việc.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Thiết lập mô hình động lực học phi tuyến hoàn chỉnh của HTTTK xe tải mỏ: Xây dựng thành công hệ phương trình toán học xác định chính xác lực tác dụng theo phương thẳng đứng của HTTTK cầu trước và cầu sau dạng thanh chống, tích hợp đồng thời đặc tính đàn hồi khí nén đoạn nhiệt, lực giảm chấn thủy lực phi tuyến qua tiết lưu và van một chiều, cùng lực ma sát ướt thủy động giữa pít tông và xi lanh phụ thuộc vào độ nhớt môi chất.
  2. Xây dựng mô hình dao động không gian toàn xe 11 bậc tự do: Mô hình mô tả chi tiết chuyển động thẳng đứng, lắc dọc và lắc ngang của thân xe, cabin, ghế lái và các cầu xe, tích hợp đặc tính phi tuyến của HTTTK dưới các dạng mấp mô mặt đường điều hòa, xung kích nửa sin và ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8068:2016.
  3. Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu MOPSO: Xác định được tập nghiệm biên Pareto và bộ thông số thiết kế tối ưu ($p_0, V_{0oil}$) của HTTTK cho dòng xe tải mỏ, tạo cơ sở phương pháp luận cho việc thiết kế và cải tiến hệ thống treo thủy khí.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Bộ dữ liệu thực nghiệm hiện trường tại vùng mỏ than Việt Nam: Cung cấp bộ số liệu đo kiểm thực tế toàn diện về rung động của xe tải CAT773E tại Mỏ than Khánh Hòa dưới nhiều chế độ tải trọng và vận tốc, đóng vai trò làm dữ liệu kiểm chứng cho các mô hình lý thuyết.
  2. Giải pháp nâng cao độ êm dịu cho đội xe khai thác: Kết quả tối ưu hóa thông số áp suất nạp và thể tích dầu nạp cung cấp căn cứ kỹ thuật chính xác cho các đơn vị vận tải mỏ trong công tác bảo dưỡng, căn chỉnh và nạp môi chất định kỳ cho hệ thống treo của xe CAT773E nhằm giảm thiểu mệt mỏi, nâng cao sức khỏe cho người lái.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng bộ thông số tối ưu về áp suất nạp khí và mức nạp dầu thủy lực xác định trong luận án vào quy trình bảo dưỡng kỹ thuật cho các dòng xe tải CAT773E đang hoạt động tại Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV).
  • Kiến nghị sử dụng quy trình thí nghiệm đo dao động và mô hình mô phỏng số 11 bậc tự do làm công cụ tính toán tham khảo trong thiết kế cải tiến hệ thống treo cho các loại phương tiện chuyên dụng hoạt động trên địa hình xấu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án giả thiết nhiệt độ môi chất dầu thủy lực và khí nén không đổi trong suốt quá trình làm việc; chưa tính toán đến sự gia tăng nhiệt độ do ma sát và biến dạng khí trong chu trình làm việc liên tục kéo dài tác động đến độ nhớt động lực học $\mu$ của dầu và áp suất buồng khí.
  • Hệ thống treo được nghiên cứu dừng lại ở hệ thống treo thủy khí bị động; các phần tử đệm lốp xe và treo cabin vẫn được xem xét như các phần tử đàn hồi và cản tuyến tính.
  • Mặt đường mỏ được khảo sát dựa trên tiêu chuẩn mấp mô hình học cứng, chưa xét đến tính năng biến dạng dẻo và hiện tượng lún trượt của nền đất mỏ dưới tác dụng của tải trọng trục xe siêu lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng mô hình động lực học nhiệt - thủy - khí, xem xét sự biến thiên nhiệt độ làm việc của dầu và khí theo thời gian thực để nâng cao độ chính xác của lực giảm chấn và lực đàn hồi.
  • Nghiên cứu phát triển hệ thống treo thủy khí bán chủ động (Semi-active) hoặc chủ động (Active) sử dụng van tiết lưu điện từ điều khiển tỷ lệ hoặc chất lỏng từ biến (Magneto-Rheological Fluid - MRF) nhằm tối ưu hóa độ êm dịu trong mọi điều kiện vận hành.
  • Nghiên cứu tương tác động lực học phi tuyến giữa lốp xe tải mỏ và nền đường biến dạng dẻo tại hiện trường khai trường mỏ lộ thiên.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Ô tô: Cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động không gian cho phương tiện nhiều bậc tự do, phương pháp lập trình mô phỏng phi tuyến trên Matlab/Simulink và kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu MOPSO.
  • Giảng viên đại học và các nhà khoa học: Là tài liệu tham khảo giá trị cho các học phần Động lực học ô tô, Dao động kỹ thuật, Thiết kế ô tô chuyên dụng và Thí nghiệm ô tô.
  • Kỹ sư thiết kế, chế tạo tại các viện nghiên cứu và nhà máy cơ khí ô tô: Tham khảo mô hình toán học chi tiết về kết cấu thanh chống thủy khí, làm cơ sở tính toán kích thước khoang, lưu lượng lỗ tiết lưu và thông số nạp khí.
  • Cán bộ kỹ thuật quản lý, vận hành tại các doanh nghiệp khai thác mỏ: Tham khảo quy trình kiểm tra, đo đạc dao động hiện trường và căn chỉnh áp suất nạp, mức dầu cho hệ thống treo xe tải CAT773E để đảm bảo điều kiện làm việc an toàn, tiện nghi cho người vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng phương tiện và địa bàn thực nghiệm chính của luận án là gì?

Luận án lựa chọn đối tượng nghiên cứu là xe tải khai thác mỏ Caterpillar 773E (CAT773E) trang bị hệ thống treo thủy khí bị động dạng thanh chống. Toàn bộ các nội dung đo đạc thực nghiệm dao động hiện trường được tiến hành trực tiếp trên xe hoạt động tại công trường khai thác của Mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên, Việt Nam.

2. Mô hình dao động không gian toàn xe được xây dựng với bao nhiêu bậc tự do và gồm các khối lượng nào?

Mô hình dao động không gian toàn xe được thiết lập với 11 bậc tự do độc lập, bao gồm:

  • Khối lượng thân xe ($m_b$): 3 bậc tự do (chuyển vị đứng $z_b$, góc lắc dọc $\varphi_b$, góc lắc ngang $\theta_b$).
  • Khối lượng cabin ($m_c$): 3 bậc tự do (chuyển vị đứng $z_c$, góc lắc dọc $\varphi_c$, góc lắc ngang $\theta_c$).
  • Khối lượng ghế người điều khiển ($m_s$): 1 bậc tự do (chuyển vị đứng $z_s$).
  • Khối lượng cầu trước ($m_{af}$): 2 bậc tự do (chuyển vị đứng $z_{af}$, góc lắc ngang $\theta_{af}$).
  • Khối lượng cầu sau ($m_{ar}$): 2 bậc tự do (chuyển vị đứng $z_{ar}$, góc lắc ngang $\theta_{ar}$).

3. Lực tổng hợp theo phương thẳng đứng của HTTTK gồm những thành phần nào và được xác định theo nguyên lý gì?

Lực theo phương thẳng đứng ($F_{hi}$) của HTTTK là tổng hợp của 3 thành phần: $$F_{hi} = F_{ki} + F_{ci} + F_{fi}$$ Trong đó:

  • $F_{ki}$ là lực đàn hồi khí nén, xác định theo phương trình nhiệt động lực học của quá trình biến đổi đoạn nhiệt ($p V^n = \text{const}$).
  • $F_{ci}$ là lực giảm chấn thủy lực, xác định theo lý thuyết tổn thất áp suất dòng chảy qua lỗ tiết lưu và cụm van một chiều.
  • $F_{fi}$ là lực ma sát ướt thủy động giữa pít tông và xi lanh, xác định theo định luật ma sát nhớt phụ thuộc vào độ nhớt động lực học $\mu$ của dầu 10W và vận tốc tương đối giữa pít tông và xi lanh.

4. Tiêu chuẩn nào được luận án sử dụng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe tải mỏ?

Luận án sử dụng tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1:1997 kết hợp tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6964-1:2001 để đánh giá độ êm dịu chuyển động thông qua chỉ số gia tốc bình phương trung bình trọng số toàn phần ($a_w$). Chỉ số này kết hợp giá trị gia tốc dao động theo cả 3 phương $x, y, z$ với các hệ số trọng số tương ứng ($k_x = k_y = 1,4; k_z = 1,0$) nhằm phản ánh chính xác mức độ khó chịu và ảnh hưởng sức khỏe đối với cơ thể người điều khiển ngồi trên ghế lái.

5. Thuật toán nào được áp dụng để tối ưu hóa thông số HTTTK và hướng tới các mục tiêu nào?

Luận án ứng dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu MOPSO (Multi-Objective Particle Swarm Optimization) kết hợp xây dựng tập nghiệm không trội Pareto. Mục tiêu tối ưu là tìm ra các giá trị áp suất nạp ban đầu ($p_0$) và thể tích dầu nạp ban đầu ($V_{0oil}$) của HTTTK cầu trước và cầu sau nhằm giảm thiểu đồng thời 3 hàm mục tiêu: gia tốc bình phương trung bình ghế người lái ($a_{ws}$), gia tốc góc lắc dọc cabin ($a_{w\varphi c}$) và gia tốc góc lắc ngang cabin ($a_{w\theta c}$).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Lê Xuân Long đã giải quyết đồng bộ và trọn vẹn bài toán nâng cao độ êm dịu cho xe tải khai thác mỏ CAT773E thông qua việc nghiên cứu đặc tính phi tuyến của hệ thống treo thủy khí. Tác giả đã xây dựng thành công mô hình toán học phi tuyến của HTTTK, tích hợp vào mô hình dao động không gian toàn xe 11 bậc tự do và kiểm chứng độ chính xác bằng thực nghiệm hiện trường tại Mỏ than Khánh Hòa. Việc ứng dụng thành công thuật toán bầy đàn đa mục tiêu MOPSO đã tìm ra bộ thông số kết cấu tối ưu, chứng minh hiệu quả giảm chấn rõ rệt giúp cải thiện điều kiện làm việc cho người vận hành. Công trình là sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học động lực học, mô phỏng số hiện đại và đo đạc thực nghiệm thực địa, đóng góp thiết thực cho sự phát triển của ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực trong nước.