Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Hồ Nhật An
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Cân Bằng Cho Tàu Vớt Lục Bình
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình

Hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thu gom lục bình. Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống cân bằng cho các phương tiện nổi, đặc biệt là tàu vớt lục bình, giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo tính ổn định trong hoạt động. Các giải pháp cân bằng hiện tại thường sử dụng các thiết bị đối trọng và bộ điều khiển tự động để duy trì trạng thái cân bằng cho tàu trong quá trình hoạt động. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ vớt lục bình không chỉ giúp tăng hiệu suất làm việc mà còn giảm sức lao động cho công nhân. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các vùng sông nước Việt Nam đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm do lục bình phát triển mạnh mẽ.

1.1. Tình hình nghiên cứu hệ thống cân bằng

Nghiên cứu về hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình đã được thực hiện ở nhiều quốc gia, với nhiều phương pháp và công nghệ khác nhau. Tại Việt Nam, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu quả hoạt động của các thiết bị thu gom lục bình. Các giải pháp như sử dụng cơ điện tử trong thiết kế hệ thống điều khiển đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc duy trì sự ổn định của tàu trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc ứng dụng các công nghệ mới vào thực tiễn, đặc biệt là trong việc đảm bảo tính an toàn cho người vận hành và thiết bị.

II. Phương án thiết kế hệ thống cân bằng

Phương án thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình bao gồm việc xác định trọng tâm, khối lượng vật nặng cần thiết và cơ cấu truyền động. Việc xác định trọng tâm là bước đầu tiên quan trọng để đảm bảo tàu có thể hoạt động một cách ổn định. Các phương pháp truyền động như truyền động đai, truyền động xích và truyền động vít-me đều được xem xét để lựa chọn phương án tối ưu cho thiết bị. Việc lựa chọn cơ cấu truyền động phù hợp sẽ giúp tăng cường tính hiệu quả và an toàn cho hệ thống. Ngoài ra, việc áp dụng các giải thuật điều khiển như điều khiển PID và điều khiển trượt cũng được đề xuất nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống cân bằng.

2.1. Lựa chọn cơ cấu truyền động

Lựa chọn cơ cấu truyền động là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống cân bằng. Các phương pháp truyền động như truyền động đai, truyền động xích và truyền động vít-me đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Truyền động đai thường được sử dụng trong các ứng dụng cần tính linh hoạt cao, trong khi truyền động vít-me lại thích hợp cho những ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Việc lựa chọn cơ cấu truyền động phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động và hiệu suất của tàu vớt lục bình.

III. Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển

Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng của tàu vớt lục bình là bước quan trọng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình hoạt động. Các phương pháp mô hình hóa hiện nay như mô hình hóa cụm trục vít-me và hệ thống cân bằng cho thiết bị băm phá lục bình đều được áp dụng để phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Việc áp dụng lý thuyết điều khiển trượt và lý thuyết ổn định Lyapunov giúp tạo ra các giải pháp điều khiển tối ưu, đảm bảo hệ thống hoạt động trong giới hạn an toàn. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ứng dụng của các bộ điều khiển này trong thực tiễn.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển như điều khiển PID và điều khiển trượt giúp tối ưu hóa khả năng phản ứng của hệ thống. Bộ điều khiển cần được thiết kế sao cho có thể xử lý các tình huống bất thường trong quá trình hoạt động, như tải trọng không đều hoặc tác động từ môi trường. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển có khả năng duy trì trạng thái cân bằng cho tàu, đồng thời đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị.

IV. Kết luận và hướng phát triển đề tài

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và an toàn trong quá trình hoạt động. Hệ thống điều khiển được thiết kế có khả năng ứng phó linh hoạt với các tình huống khác nhau, từ đó giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho người vận hành. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới, như công nghệ tự động hóa và cảm biến thông minh, nhằm nâng cao khả năng hoạt động của hệ thống. Sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và thiết kế hợp lý sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các thiết bị thu gom lục bình tại Việt Nam.

4.1. Hướng phát triển trong nghiên cứu

Hướng phát triển trong nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải tiến các giải pháp công nghệ hiện tại, đồng thời nghiên cứu các phương pháp mới trong việc thiết kế hệ thống cân bằng. Việc áp dụng công nghệ cảm biến và trí tuệ nhân tạo có thể giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và nâng cao hiệu suất hoạt động của tàu vớt lục bình. Đồng thời, việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị mới với tính năng vượt trội sẽ góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm lục bình tại các vùng sông nước Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, chủ yếu công việc vớt lục bình ở các vùng sông nước Việt Nam được thực hiện bằng phương pháp thủ công, người lao động đứng trên thuyền hoặc trên bờ sử dụng các dụng cụ cầm tay như vợt, móc, lưới,… để vớt lục bình. Các loại thiết bị dùng để vớt lục bình hiện nay chủ yếu là các thuyền, ghe thô sơ, có loại có máy đẩy, có loại phải chèo hoặc chống bằng sào. Công việc vớt lục bình trên sông của các công nhân rất nặng nhọc và vất vả, chủ yếu sử dụng sức người, không có nhiều thiết bị hỗ trợ.

Để giảm sức lao động của công nhân trong việc thu gom lục bình tại các sông ngòi, kênh rạch, tại Việt Nam đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học từ cấp tỉnh, cấp nhà nước được triển khai thực hiện chế tạo các thiết bị nổi để giải quyết vấn nạn lục bình và bước đầu đã đạt được một số kết quả nhất định. Tuy nhiên, hạn chế chung của các đề tài này là chưa đề cập đến việc cân bằng thiết bị trong quá trình vận hành. Yếu tố an toàn trong hoạt động thu gom lục bình là cực kỳ quan trọng, đảm bảo sự an toàn tính mạng cho người vận hành cũng như tránh rủi ro chìm thiết bị do các nguyên nhân khách quan. Trong quá trình hoạt động thu gom lục bình, người điều khiển phương tiện sẽ không thể quan sát được trạng thái thiết bị, mục đích quan sát được trạng thái làm việc của thiết bị nhằm xử lý các tình huống nguy hiểm có thể ảnh hưởng đến sự an toàn như: thiết bị trục vớt lục bình quá tải trọng, tải trọng phân bổ không đều trong khi vớt, va chạm các cành cây, nhánh cây to gây nghiêng thiết bị, hiện tượng nghiêng lắc đột ngột do tác động tự nhiên (sóng to, gió lớn,…).

Chính vì lí do trên, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển cân bằng cho thiết bị trong quá trình hoạt động là vô cùng cần thiết. Nghiên cứu trong luận văn này sẽ giải quyết vấn đề về cân bằng cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình tại các kênh rạch, đồng thời có thể đề xuất phương án mới trong việc thiết kế hệ thống cân bằng cho các phương tiện nổi chuyên dụng cỡ nhỏ. Mục đích nghiên cứu đề tài Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình” là một 2 phần nghiên cứu trong dự án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo tổ hợp thiết bị thu gom, tiền xử lý và trục vớt lục bình trên kênh, rạch tại Long An và các tỉnh lân cận” do thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến – Trường đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh làm chủ nhiệm dự án. Mục đích nghiên cứu là thiết kế hệ thống cân bằng có thể áp dụng cho thiết bị băm phá lục bình và thiết bị trục vớt lục bình trong dự án nhằm tăng tính an toàn trong quá trình vận hành.

Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu ở những nội dung sau: - Tìm hiểu tổng quan về hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi áp dụng cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình; - Tìm hiểu về các phương án cân bằng, phương án truyền động cho hệ cân bằng và phương án thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình; - Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình; - Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển đã thiết kế cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình; - Thực nghiệm bộ điều khiển đã thiết kế cho thiết bị thu gom lục bình; - Đưa ra kết luận và hướng phát triển đề tài. Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn ở việc tính toán, mô phỏng hệ thống cân bằng và thực nghiệm trong trường hợp thiết bị nghiêng lắc trên sóng điều hoà với tần số dao động nhỏ, phù hợp với dao động sóng trên các kênh rạch tại Việt Nam trong điều kiện thường. Các trường hợp va chạm gây nghiêng đột ngột hoặc nghiêng trong quá trình trục vớt sẽ được mô phỏng và thực nghiệm theo dạng sóng bước (step) và phải đảm bảo cho thiết bị luôn trong giới hạn phạm vi an toàn khi hoạt động theo tiêu chuẩn quy định. Sơ lược về thiết bị thu gom lục bình Để vớt và xử lý tình trạng rong bèo và lục bình trôi nổi trên sông, những thiết bị và tàu chuyên dụng đã được chế tạo nhằm giảm sức lao động của công nhân cũng như tăng năng suất công việc.

Các thiết bị trục vớt hiện nay rất đa dạng về kích thước, công suất, tính năng và công dụng. Sau khi chế tạo, các thiết bị này sẽ được đưa đến vị trí các con sông, kênh rạch cần thực hiện công việc. Tại đó, tàu sẽ di chuyển đến nơi có lục bình và vớt lục bình lên khoang chứa, khi khoang chứa đầy, tàu di chuyển tới gần bờ để chuyển lục bình lên thùng xe hoặc đưa lên bờ. Những thiết bị chuyên dụng này phải tuân thủ các quy định khắt khe về tiêu chuẩn an toàn, tiêu chuẩn chất thải môi trường trong ngành đường thủy được luật pháp quốc tế và Việt Nam quy định.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới, có rất nhiều quốc gia hàng đầu trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị cắt rong, cỏ dại dưới nước và thu gom lục bình trong lòng sông, mương, hồ chứa nước, điển hình như Hoa Kỳ, Canada, Trung Quốc,. Nhiệm vụ của thiết bị cắt – vớt rong, cỏ dại, lục bình là làm thông thoáng dòng chảy để phục vụ giao thông đường thủy, cấp thoát nước, tạo môi trường tốt cho các loài thuỷ sinh sinh sống và bảo vệ cảnh quan thiên nhiên theo các tiêu chuẩn vệ sinh môi trường của Hoa kỳ và châu Âu. Các công ty chế tạo tại các quốc gia này đã đưa ra nhiều mẫu thiết bị có các tính năng riêng biệt để phục vụ theo các mục đích khác nhau.1: Thiết bị trục vớt cỡ lớn của công ty Inland Lake Harvesters, Inc, Mỹ 4 Hình 1.2: Thiết bị trục vớt rong, lục bình cỡ lớn của công ty Aquamarine, Canada Sự ra đời của các thiết bị này đã giúp Chính phủ các nước giảm được nhiều chi phí trong việc xử lý vấn nạn lục bình, bảo vệ môi trường. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam Ở Việt Nam, đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học từ cấp tỉnh, cấp trung ương đã được triển khai thực hiện để giải quyết vấn nạn lục bình và bước đầu đã đạt được một số kết quả nhất định.

Một số đề tài tiêu biểu như: Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống máy, thiết bị cắt rong, cỏ dại, vớt bèo tây, rác thải nổi trong lòng kênh, mương, hồ chứa nước” do ThS. Bùi Trung Thành chủ nhiệm đề tài [8]. Nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện và đưa mẫu máy vào phục vụ trục vớt lục bình tại Vườn Quốc gia U Minh Thượng, tỉnh Kiên Giang. Máy có khả năng cắt, vớt rong dưới mặt nước, cắt vớt cỏ dại, lục bình với hiệu suất làm việc tương đối cao.3: Thiết bị cắt-vớt tại Vườn quốc gia U Minh Thượng, Kiên Giang 5 Năm 2015, Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao công nghệ thuộc Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện hợp đồng với Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Khoa học kỹ thuật thuộc Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Long An về thiết kế và chế tạo máy cắt, vớt lục bình quy mô nhỏ.

Máy sau khi chế tạo đã đáp ứng được cơ bản những yêu cầu.4: Thiết bị cắt-vớt do Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM thực hiện Dự án “Hoàn thiện thiết kế, chế tạo máy cắt-vớt rong, cỏ dại, lục bình cỡ nhỏ trên kênh, mương cấp thoát nước khu vực thành phố Hồ Chí Minh” do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ – Máy Công nghiệp thuộc Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện [9]. Kết quả nghiên cứu đã tạo ra được mẫu máy có tính năng vừa có thể trục vớt lục bình trên kênh rạch nhỏ, vừa cắt, vớt rong dưới mặt nước ở độ sâu 1,8m trong các kênh cấp thoát nước khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.5: Thiết bị vớt lục bình trên kênh cấp thoát nước khu vực Tp.HCM 6 Dự án “Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo máy cắt, vớt rong, cỏ dại, lục bình trên sông phục vụ thoát nước, chống ngập úng cho các đô thị và cấp nước phục vụ sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, nông thôn Việt Nam” là đề tài nghiên cứu do TS. Bùi Trung Thành và các cộng sự thực hiện đã giải quyết được một số khuyết điểm tồn tại từ trước. Máy có thể thực hiện chức năng cắt rong, cỏ dại dưới mặt nước với mật độ dày đặc và hệ dao cắt có khả năng điều chỉnh lên xuống theo chiều sâu của mực nước trên sông cũng như theo chiều cao của cây rong, cỏ dại, mọc lên từ đáy sông lên trong phạm vi độ sâu từ 0 - 1,5 m, bề rộng 2,36 m.6: Thiết bị vớt lục bình được TS.

Bùi Trung Thành và các cộng sự cải tiến Các thiết bị thu gom lục bình trước đây được chế tạo thường có quy trình tổ hợp xử lý lục bình như sau: Hình 1.7: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình trước đây Đây là quy trình đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam hiện nay [8],[9],[10]. Tuy nhiên, khi áp dụng quy trình này đã gặp nhiều khó khăn và xuất hiện các nhược điểm 7 như năng suất giảm khi gặp những lục bình bị kết khối cứng, các khối lục bình này liên kết dày đặc và cắm sâu xuống lòng sông 2 đến 3m, công tác vớt sẽ gặp khó khăn và hiệu suất không cao và máy trục vớt sau khi vớt sẽ nhanh đầy khoang (do lục bình ở khoang chứa là lục bình kết khối), khi đó cần một máy trung chuyển (xà lan trung chuyển) mới có thể nâng cao được năng suất vớt. Về ưu điểm của quy trình này, thiết bị trục vớt có bố trí dao cắt trên băng tải vớt thường có chiều rộng cơ sở lớn, vì thế dễ dàng bố trí các cụm công tác, có nhiều không gian để người vận hành đi lại, kiểm tra thiết bị. Có thể đặt đáy khoang chứa sâu xuống gần đáy thiết bị, tăng thể tích chứa.