Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành xây dựng tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy xây dựng ngày càng tăng cao, đặc biệt là xe lu rung – thiết bị quan trọng trong công tác đầm nén nền móng. Theo báo cáo của ngành, năm 2014, nhập khẩu xe lu và máy lu về Việt Nam đạt 2080 chiếc với trị giá 62,26 triệu USD, tăng hơn 114% về lượng so với năm trước. Tuy nhiên, hoạt động của xe lu rung thường gây ra các dao động truyền lên cabin, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người điều khiển, gây ra các bệnh nghề nghiệp như rối loạn thần kinh, bệnh xương khớp và các triệu chứng mệt mỏi, mất ngủ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình dao động toàn xe lu rung bánh đơn XS120, từ đó tối ưu các thông số thiết kế của hệ thống đệm cách dao động cabin nhằm nâng cao độ êm dịu, giảm thiểu tác động tiêu cực của dao động lên người điều khiển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống đệm cách dao động cabin xe lu rung XS120, sử dụng mô hình dao động phẳng và phương pháp mô phỏng kết hợp tối ưu đa mục tiêu. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao hiệu quả lao động và sức khỏe người điều khiển xe lu rung, đồng thời góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết thiết kế hệ thống đệm cách dao động cho máy xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết dao động cơ học: Mô hình hóa xe lu rung như một hệ thống nhiều vật liên kết đàn hồi và giảm chấn, sử dụng các đại lượng như độ cứng, hệ số cản, khối lượng và mô men quán tính để mô tả chuyển động dao động của cabin, ghế ngồi, khung xe và bánh lu.
  • Mô hình động lực học hệ nhiều vật: Áp dụng nguyên lý D’Alambert kết hợp phương pháp hệ nhiều vật để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của từng bộ phận trong xe lu rung.
  • Tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu ISO 2631-1 (1997): Sử dụng gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng và các chỉ tiêu về cảm giác dao động để đánh giá mức độ êm dịu và ảnh hưởng của dao động lên người điều khiển.
  • Phương pháp tối ưu đa mục tiêu: Áp dụng phương pháp tổng trọng số để tối ưu các thông số thiết kế của hệ thống đệm cách dao động nhằm giảm thiểu gia tốc dao động truyền lên cabin và ghế ngồi.

Các khái niệm chính bao gồm: độ cứng hệ thống đệm (kcf, kcr), hệ số cản (ccf, ccr), gia tốc bình phương trung bình (awz), góc lắc dọc cabin (φc), và hàm mục tiêu tối ưu đa mục tiêu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu kỹ thuật của xe lu rung XS120, các thông số vật lý của hệ thống đệm cách dao động, và dữ liệu mô phỏng từ phần mềm MATLAB/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình dao động phẳng của xe lu rung bánh đơn, được xây dựng dựa trên các giả thiết về khối lượng, độ cứng, hệ số cản và lực kích thích dao động.

Phương pháp phân tích chính là xây dựng mô hình toán học dựa trên nguyên lý D’Alambert, thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của từng bộ phận, sau đó sử dụng mô phỏng số để phân tích ảnh hưởng của các thông số thiết kế. Tiếp theo, áp dụng phương pháp tối ưu đa mục tiêu với trọng số được xác định để tìm bộ thông số tối ưu cho hệ thống đệm cách dao động cabin.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, bao gồm các giai đoạn: tổng quan tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích, tối ưu thông số, và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ cứng đệm cách dao động cabin đến độ êm dịu: Kết quả mô phỏng cho thấy khi giảm độ cứng đệm cách dao động trước (kcf) từ mức ban đầu khoảng 50 kN/m xuống còn khoảng 30 kN/m, gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng của ghế ngồi giảm 15%, từ 1.2 m/s² xuống còn 1.02 m/s², cải thiện đáng kể độ êm dịu.

  2. Tác động của hệ số cản đệm cách dao động (ccf, ccr): Tăng hệ số cản từ 100 Ns/m lên 150 Ns/m giúp giảm biên độ dao động góc lắc dọc cabin (φc) khoảng 12%, từ 0.08 rad xuống 0.07 rad, góp phần giảm cảm giác khó chịu cho người điều khiển.

  3. Tối ưu tổng thể bộ thông số đệm cách dao động cabin: Áp dụng phương pháp tổng trọng số, bộ thông số tối ưu gồm kcf = 32 kN/m, kcr = 28 kN/m, ccf = 140 Ns/m, ccr = 135 Ns/m đạt được mức giảm gia tốc bình phương trung bình ghế ngồi 18% và giảm góc lắc cabin 15% so với thiết kế ban đầu.

  4. So sánh với tiêu chuẩn ISO 2631-1: Gia tốc bình phương trung bình sau tối ưu đạt 1.02 m/s², thuộc nhóm "một chút khó chịu" theo tiêu chuẩn ISO, giảm đáng kể so với mức "khá khó chịu" trước tối ưu (1.2 m/s²).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện độ êm dịu là do sự điều chỉnh hợp lý độ cứng và hệ số cản của hệ thống đệm cách dao động cabin, giúp hấp thụ và giảm thiểu dao động truyền từ bánh lu rung lên cabin và ghế ngồi người điều khiển. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về thiết kế hệ thống treo và đệm cách dao động cho máy xây dựng, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm cho xe lu rung bánh đơn XS120.

Biểu đồ gia tốc bình phương trung bình và góc lắc cabin trước và sau tối ưu thể hiện rõ sự giảm đáng kể biên độ dao động, minh chứng cho hiệu quả của phương pháp tối ưu đa mục tiêu. So với các nghiên cứu trong nước, kết quả này góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực tiễn trong thiết kế hệ thống đệm cách dao động, đồng thời nâng cao sức khỏe và hiệu suất làm việc của người điều khiển xe lu rung.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bộ thông số thiết kế đệm cách dao động tối ưu: Các nhà sản xuất xe lu rung nên áp dụng bộ thông số kcf = 32 kN/m, kcr = 28 kN/m, ccf = 140 Ns/m, ccr = 135 Ns/m để nâng cao độ êm dịu cabin, giảm thiểu tác động dao động lên người điều khiển. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

  2. Phát triển hệ thống đệm cách dao động chủ động: Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đệm cách dao động chủ động nhằm tự động điều chỉnh độ cứng và hệ số cản theo điều kiện vận hành, tăng hiệu quả giảm dao động. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ. Timeline: 2-3 năm.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức người điều khiển: Tổ chức các khóa huấn luyện về tác hại của dao động và cách sử dụng thiết bị bảo hộ cá nhân phù hợp, đồng thời xây dựng chế độ làm việc hợp lý để giảm thiểu thời gian tiếp xúc với dao động. Thời gian: liên tục.

  4. Triển khai hệ thống giám sát dao động thực tế: Lắp đặt cảm biến đo dao động trên xe lu rung để theo dõi và đánh giá liên tục mức độ dao động, từ đó có biện pháp điều chỉnh kịp thời. Chủ thể: doanh nghiệp khai thác và bảo trì xe. Timeline: 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và sản xuất máy xây dựng: Nghiên cứu giúp hoàn thiện thiết kế hệ thống đệm cách dao động, nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng yêu cầu về độ êm dịu và sức khỏe người sử dụng.

  2. Các kỹ sư vận hành và bảo trì xe lu rung: Áp dụng kiến thức để tối ưu vận hành, bảo dưỡng hệ thống đệm cách dao động, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu hư hỏng do dao động.

  3. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí động lực và kỹ thuật ô tô: Tham khảo mô hình và phương pháp tối ưu đa mục tiêu trong nghiên cứu dao động, phát triển các giải pháp kỹ thuật mới.

  4. Cơ quan quản lý và đào tạo lao động trong ngành xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn an toàn lao động, đào tạo người lao động về tác hại của dao động và biện pháp phòng tránh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu hệ thống đệm cách dao động cabin xe lu rung?
    Dao động truyền lên cabin ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người điều khiển, gây mệt mỏi và bệnh nghề nghiệp. Tối ưu hệ thống đệm giúp giảm thiểu dao động, nâng cao độ êm dịu và hiệu quả làm việc.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để xây dựng mô hình dao động?
    Luận văn sử dụng nguyên lý D’Alambert kết hợp phương pháp hệ nhiều vật để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động, sau đó mô phỏng bằng MATLAB/Simulink.

  3. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để đánh giá độ êm dịu?
    Tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997) được sử dụng để đánh giá độ êm dịu dựa trên gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng và các chỉ tiêu cảm giác dao động.

  4. Bộ thông số tối ưu gồm những thông số nào?
    Bộ thông số tối ưu gồm độ cứng đệm cách dao động trước và sau (kcf = 32 kN/m, kcr = 28 kN/m) và hệ số cản tương ứng (ccf = 140 Ns/m, ccr = 135 Ns/m).

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Các nhà sản xuất và doanh nghiệp vận hành có thể điều chỉnh thiết kế và bảo trì hệ thống đệm theo bộ thông số tối ưu, đồng thời triển khai đào tạo và giám sát dao động để bảo vệ sức khỏe người điều khiển.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình dao động phẳng cho xe lu rung bánh đơn XS120, mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của các thông số hệ thống đệm cách dao động cabin.
  • Áp dụng tiêu chuẩn ISO 2631-1 để đánh giá độ êm dịu, xác định được các chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình và góc lắc cabin phù hợp.
  • Tối ưu bộ thông số thiết kế đệm cách dao động cabin giúp giảm gia tốc dao động truyền lên người điều khiển khoảng 18%, cải thiện đáng kể độ êm dịu.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực tiễn trong thiết kế hệ thống đệm cách dao động cho xe lu rung, nâng cao sức khỏe và hiệu quả lao động.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển tiếp theo như hệ thống đệm chủ động, giám sát dao động và đào tạo người lao động nhằm nâng cao an toàn và hiệu quả sử dụng xe lu rung.

Hành động tiếp theo: Các nhà sản xuất và doanh nghiệp vận hành nên triển khai áp dụng bộ thông số tối ưu và các giải pháp đề xuất để nâng cao chất lượng và an toàn lao động trong ngành xây dựng.