Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi chuyển động trên đường lâm nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm xây dựng được mô hình dao động của xe chữa cháy rừng đa năng; lập, giải và mô phỏng được hệ phương trình vi phân dao động của cơ hệ làm cơ sở đề xuất một số giải pháp để nâng cao sự chuyển động êm dịu của xe chữa cháy rừng đa năng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi chuyển động trên đường lâm nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP ------------------------ LÊ THỊ MINH VƯỢNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG KHI CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG LÂM NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP --------------------------- LÊ THỊ MINH VƯỢNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA XE CHỮA CHÁY RỪNG ĐA NĂNG KHI CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG LÂM NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa Nông - lâm nghiệp Mã số: 60.52.14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN NHẬT CHIÊU Hà Nội, 2010
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Cháy rừng là thảm họa gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho tài nguyên, môi trường và con người. Chính vì vậy mà các nhà khoa học trên thế giới nói chung, ở Việt Nam nói riêng đã và đang nghiên cứu công nghệ và thiết bị phòng - chữa cháy rừng, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra. Đã có một số công trình nghiên cứu công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng được đưa vào sử dụng. Ở Việt Nam, Đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 do Tiến sĩ Dương Văn Tài chủ trì đã thiết kế chế tạo xe chữa cháy rừng đa năng. Đây là mẫu xe chữa cháy mới, chưa được đưa vào sử dụng rộng rãi; khác với các xe chữa cháy thông thường, xe chữa cháy rừng đa năng thường phải chuyển động trên đường lâm nghiệp thậm chí trên mặt đất rừng, mấp mô mặt đường là nguồn gây dao động, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự chuyển động êm dịu của xe. Do đó, việc nghiên cứu dao động của xe khi chuyển động trên đường lâm nghiệp là rất cần thiết. Trong thực tế, đã có nhiều đề tài nghiên cứu dao động của ô tô máy kéo, xe quân sự; vì xe chữa cháy rừng đa năng là mẫu xe mới, đang hoàn thiện nên chưa có công trình nào nghiên cứu dao động của loại xe này; vì vậy, tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu dao động của chữa cháy rừng đa năng khi chuyển động trên đường lâm nghiệp”. Ý nghĩa của đề tài là: Xây dựng được mô hình dao động của xe chữa cháy rừng đa năng do đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 thiết kế chế tạo ra; lập, giải và mô phỏng hệ phương trình vi phân dao động của xe chữa cháy rừng đa năng khi chuyển động trên đường lâm nghiệp. Kết quả nghiên cứu của đề tài phục vụ cho việc hoàn thiện mẫu xe chữa cháy rừng đa năng do đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10 thiết kế chế tạo theo hướng nâng cao khả năng chuyển động êm dịu và chọn chế độ sử dụng hợp lý mẫu máy này.
2 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng 1.1.1. Công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới a) Công nghệ chữa cháy rừng trên thế giới: Cháy rừng là một trong những thảm họa, gây thiệt hại đến nhiều mặt, trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Cháy rừng không chỉ thiệt hại về cây rừng hay hệ sinh thái rừng, mà còn mất đi cái nôi trú ngụ của nhiều loài động vật, làm ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và nhất là làm mất đi kho tàng vi sinh vật quí giá trong đất. Vì vậy, chữa cháy rừng là một việc làm thiết thực, là nghĩa vụ của mọi người, nhằm góp phần hạn chế tối đa những thiệt hại do cháy rừng gây ra, để bảo vệ màu xanh cho núi rừng. Nhưng chữa cháy rừng không giống như chữa cháy nhà, các điều kiện hỗ trợ thực hiện biện pháp chữa cháy rừng cũng rất hạn chế, rất khó khăn và địa hình phức tạp… Đòi hỏi con người cần hiểu một số kỹ thuật chữa cháy rừng, để tổ chức chữa cháy đạt hiệu quả và an toàn. Hiện nay các nước trên thế giới đang sử dụng công nghệ chữa cháy rừng như sau: Kỹ thuật chữa cháy rừng bằng phương pháp trực tiếp: là phương pháp bố trí đội hình chữa cháy trực tiếp đối đầu, bao vây ngọn lửa và dùng dụng cụ đập lửa liên tục. Chỉ được sử dụng khi đám cháy có ngọn lửa thấp, cường độ cháy nhỏ. Chữa cháy rừng bằng phương pháp song song: là phương pháp bố trí đội hình chữa cháy đứng về phía trước (đầu hướng gió) để thực hiện biện pháp phát dọn băng trắng ngăn cản lửa. Sử dụng trong điều kiện khi đám cháy có ngọn lửa cháy với cường độ vừa phải. Chữa cháy rừng bằng phương pháp gián tiếp (hay phương pháp đốt chặn): là phương pháp dùng lửa đốt ngay từ phía trước đầu hướng gió của đám cháy để hai ngọn lửa tiến giáp lại với nhau tự tắt (do cháy hết vật liệu cháy). Sử dụng phương pháp này khi đám cháy có cường độ dữ dội, sức nóng lan tỏa trên phạm vi rộng, con người khó tiếp cận với đám cháy. [37]
3 b) Thiết bị chữa cháy trên thế giới: Một số nước Đông Nam Á, Trung Quốc, Nga, Mỹ, Inđônêxia… sử dụng rộng rãi công cụ dập lửa thủ công (thiết bị chữa cháy cầm tay), bình chữa cháy đeo vai/xách tay, máy thổi gió đeo vai/ xách tay. Các công cụ này có nhiều hạn chế là năng suất và hiệu quả chữa cháy thấp, tốn nhiều sức lực và nhân công, không dập tắt được những đám cháy lớn (chiều cao ngọn lửa trên 2m). Ở những nơi gần nguồn nước (sông suối, ao hồ), nhiều nước trên thế giới đang sử dụng máy bơm nước để chữa cháy rừng. Thiết bị này có ưu điểm là hiệu quả dập lửa lớn, chữa được loại cháy trên tán cây. Nhược điểm của loại thiết bị này là tính di động không cao, phụ thuộc vào nguồn nước; đối với khu rừng cách xa nguồn nước khoảng 3km thì thiết bị này không sử dụng được. Loại máy này phù hợp với chữa cháy ở rừng ngập nước. Một số nước phát triển như Mỹ, Nga, Australia, Island, Thái Lan đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng xe chữa cháy rừng chuyên dùng (hình 1.1, 1.2, 1.3), thiết bị này có thể di chuyển được trên địa hình có độ dốc  150. Trên xe có Hình 1.1 - Ô tô chuyên dụng chữa cháy rừng của Mỹ thiết kế téc chứa nước, hệ thống bơm và ống dẫn. Thiết bị này len lỏi vào trong khu rừng để chữa cháy, tác nhân chữa cháy rừng là nước. Thiết bị này còn nhược điểm là phụ thuộc vào nguồn nước chứa ở trong xe. Đối với những nơi xa nguồn nước, địa hình có độ dốc > 20 0 thì thiết bị này sử dụng không hiệu quả.
4 Hình 1.2 - Xe cứu hỏa của Mỹ Hình 1.3 - Xe chữa cháy rừng của Australia Một số nước phát triển như Mỹ, Nga, Pháp, Nhật, Thái Lan đã sử dụng máy bay để chữa cháy. Loại thiết bị này có thể phun nước hoặc phun hoá chất để dập lửa. Thiết bị chữa cháy này được sử dụng ở mọi loại địa hình, hiệu quả chữa cháy cao, năng suất dập lửa lớn. Sử dụng máy bay chữa cháy cần vốn đầu tư lớn, chi phí rất đắt, nên không phù hợp với các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam. 1.1.2. Công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam Việt Nam mới chỉ cảnh báo được tình trạng mức nguy hiểm cháy rừng. Với những vụ cháy rừng lớn, gần các đường giao thông, mới có lực lượng cứu hỏa và thiết bị chuyên dùng; còn cháy rừng tại những nơi hiểm trở chủ yếu sử dụng phương pháp cổ truyền (dùng cành cây đập vào lửa, vận chuyển nước bằng cách chuyền tay nhau..). Có thể khẳng định rằng: Ở Việt Nam hiện nay chưa có thiết bị chữa cháy rừng chuyên dùng. Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng một số công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng như sau: - Công nghệ chữa cháy rừng sử dụng phương tiện chữa cháy thô sơ: Các phương tiện chữa cháy thô sơ bao gồm phương tiện chữa cháy rừng thủ công: dùng cành cây, vỉ dập lửa, cào cuốc… xe đạp thồ chở nước Hình 1.4 - Xe thồ chữa cháy rừng chữa cháy rừng (hình 1.4). Đây là công nghệ đơn giản, thiết bị rẻ tiền, dễ di chuyển ở nơi có địa hình phức tạp. Đối với
5 những đám cháy nhỏ, mới bắt đầu cháy thì dụng cụ này có khả năng dập tắt được; nhưng tốn nhiều công lao động, năng suất và khả năng dập lửa thấp, không chữa được đám cháy lớn. - Một số cơ sở chữa cháy rừng đang sử dụng bình bơm nước đeo vai, máy thổi gió công suất lớn, máy bơm nước khiêng tay để chữa cháy. Hiệu quả chữa cháy của các thiết bị này cao hơn các phương tiện chữa cháy thủ công, nhưng không hiệu quả đối với đám cháy rừng lớn. Các thiết bị này chủ yếu vẫn là nhập ngoại. - Thiết bị tạo băng cách ly: Trong chữa cháy rừng, phương pháp tạo băng trắng để khoanh vùng, cô lập đám cháy cũng thường xuyên được áp dụng đối với những đám cháy rừng lớn, cháy trên tán cây, cháy ngầm dưới mặt đất. Các thiết bị tạo băng trắng hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là dùng cưa xăng, máy phát quang, cào cuốc,... - Gần đây, Việt Nam đã phát minh và đưa vào sử dụng hỗn hợp chữa cháy đa năng ĐT-HP: Hỗn hợp chữa cháy đa năng ĐT-HP được sản xuất ở dạng dung dịch 5% của hỗn hợp hai muối Natriclorua và Natri Laurylsulfat. Khi sử dụng chỉ việc pha thêm nước để thành dung dịch nồng độ 0,5% phun thấm ướt hoặc phun tạo bọt trên bề mặt vật cháy, đám cháy sẽ bị dập tắt ngay. Hỗn hợp rất thích hợp để chữa cháy rừng vì giải quyết được tình trạng thiếu nước khi chữa cháy và dập tắt nhanh đám cháy mà không bị bùng cháy trở lại. - Sử dụng công trình phục vụ phòng chống cháy rừng: kênh nước, kênh cạn, băng trắng, băng xanh, hồ chứa nước giữ ẩm đất rừng… - Xe chuyên dụng chữa cháy: Mặc dù đã có khá nhiều loại xe chữa cháy trên thị trường đã được đưa vào thử nghiệm hay sử dụng như: xe thang chữa cháy do Mỹ sản xuất, xe chữa cháy công nghệ phun bọt khí nén (CAFS) do hãng Morita (Nhật Bản) sản xuất, xe chữa cháy Dol với nhiều thế hệ khác nhau đã xuất hiện tại Việt Nam. Các loại xe chữa cháy này chủ yếu là xe nhập khẩu giá thành rất cao. Nhìn chung, chúng ta chưa sản xuất ra được các loại xe hay các phương tiện phục vụ công tác chữa cháy. Gần đây nhất, kĩ sư Trần Thành Đạt và cử nhân Huỳnh Hữu Phước đã chế tạo xe chữa cháy tí hon SAMCO Tina-m để chữa cháy trong các hẻm và các ngõ ngách nhỏ ở khu dân cư. [35]
6 Thực tế cho thấy, ở Việt Nam chưa có xe chuyên dụng chữa cháy rừng. Các loại xe chữa cháy kể trên được sử dụng trong chữa cháy nhà, không thuận lợi cho công việc chữa cháy rừng. Chúng ta chỉ cải tiến xe chữa cháy từ xe U oát hay xe Isuzu…thiết bị này bao gồm hệ thống téc nước, bơm nước đặt trên thùng xe. Những xe được cải tiến như vậy với số lượng rất ít, không đáp ứng được nhu cầu về thiết bị chữa cháy rừng ở nước ta. Vì thế chúng ta cần các dụng cụ, thiết bị chữa cháy rừng hiện đại, gọn nhẹ để tiện di chuyển, hiệu suất cao, có thể sản xuất trong nước để giảm chi phí sản xuất. Trong đề tài cấp nhà nước KC 07.13/06-10, TS.Dương Văn Tài đã thiết kế chế tạo thành công xe chữa cháy rừng đa năng, sử dụng nhiều tác nhân chữa cháy. Xe chữa cháy rừng đa năng mới được thiết kế chế tạo nên chưa có điều kiện nghiên cứu về khả năng kéo, bám, ổn định, dao động của xe. 1.2. Tổng quan về dao động của ô tô máy kéo Khi ô tô, máy kéo chuyển động trên đường không bằng phẳng thường chịu những tải trọng dao động do bề mặt đường mấp mô sinh ra. Những dao động này ảnh hưởng xấu đến hàng hóa, tuổi thọ của xe và người ngồi trên xe. Theo thống kê cho thấy, khi ô tô tải chạy trên đường xấu ghồ ghề, so với ô tô cùng loại chạy trên đường tốt bằng phẳng thì vận tốc trung bình giảm 40 - 50%. Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của dao động ô tô tới cơ thể con người đều đi tới kết luận là nếu con người phải chịu đựng lâu trong môi trường dao động của ô tô sẽ mắc các bệnh về thần kinh và não. Vì vậy tính êm dịu chuyển động là một trong những chỉ tiêu quan trọng của xe. [1] Những vấn đề nêu trên cho thấy, nghiên cứu dao động ô tô không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn rất cao. Một số công trình nghên cứu dao động của ô tô, máy kéo trên thế giới có thể kể ra như sau: 1.2.1. Các công trình nghiên cứu dao động của ô tô máy kéo trên thế giới Việc nghiên cứu dao động ô tô - máy kéo bắt đầu rất sớm, ngay cả khi chúng còn rất đơn giản. Một trong những tác giả với nhiều đóng góp có thể kể đến là
7 Mitschke, Schiehlen. Năm 1970 Mitschke đã tập trung vào tác phẩm nổi tiếng "Dynamik der Kraftfahrzeuge" tập hợp tất cả các công trình nghiên cứu trước đó, bao gồm 200 trích dẫn. Nội dung chính là dao động xe con, mô hình là mô hình 1/4 và được xem xét ở các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng đến dao động và tối ưu hệ treo. Sau đó, tác giả đề cập chỉ tiêu đánh giá dao động ôtô. Những năm sau này, 1980, Schiehlen trình bày phương pháp hệ nhiều vật. Ông đã sử dụng sự trợ giúp của máy tính để nghiên cứu sâu hơn về hệ thống treo, bánh xe; tuy nhiên các nghiên cứu đó vẫn tập trung chủ yếu vào xe con. Năm 1973 Barski I.B [1] nghiên cứu Động lực học máy kéo. Tác giả đã nghiên cứu đầy đủ động lực học của máy kéo bánh hơi, máy kéo bánh xích và độ êm dịu chuyển động của máy kéo. Năm 1982, PTS. Đỗ Tiến Vũ [24] đã đưa ra mô hình dao động của ô tô tải ba cầu trong trường hợp có rơ mooc như sau: Hình 1.5: Mô hình dao động ô tô tải ba cầu với rơ mooc của Đỗ Tiến Vũ Trong công trình, tác giả đã sử dụng phương trình Lagranger loại II để lập phương trình vi phân dao động của cơ hệ, với 12 bậc tự do. Năm 1983 Dobrưnhin Iu.A [33] nghiên cứu động lực học thẳng đứng của máy kéo bánh hơi khi vận xuất gỗ trong chặt chăm sóc. Năm 1987 Zucov A.V [32] đã nghiên cứu những vấn đề dao động của máy kéo lâm nghiệp.
8 Năm 1992 Kozmin S.F [31] đã nghiên cứu quá trình dao động thẳng đứng của máy kéo bánh hơi lâm nghiệp cỡ 6 kN. Trong công trình [26], Muller đã đưa ra mô hình không gian mô tả tất cả các loại dao động của máy kéo bánh hơi, tác giả đã bỏ qua các tác động của tải trọng kéo và các yếu tố ảnh hưởng khác. Theo tác giả, một máy kéo có thể có 7 bậc tự do: dao động thẳng đứng, dao động xoay quanh trục ngang, dao động dọc, dao động xoay quanh trục dọc và dao động liên kết xoay quanh trục cân bằng. Tác giả Volgel [28] đã nghiên cứu tính chất động lực học của liên hợp máy cày, khi lực kéo và tải trọng thẳng đứng dao động có kể đến tính đàn hồi, cả của hệ truyền lực và bánh xe. Công trình cho phép đánh giá một cách khái quát tác động của các yếu tố ảnh hưởng tới dao động của máy khi cày đất, tuy nhiên chưa có thực nghiệm để chứng minh các giả thiết đưa ra. Trong công trình của Wendebon [29] bằng lý thuyết và thực nghiệm, tác giả đã xây dựng mô hình nghiên cứu tính chất động lực học của dao động thẳng đứng máy kéo, tác giả không quan tâm đến chuyển động quay và các chuyển động khác. Do vậy công trình này chưa đánh giá và thể hiện được đầy đủ các tính chất động lực học của máy cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển động của máy kéo nói riêng và liên hợp máy nói chung. Bên cạnh đó còn có một số công trình nghiên cứu về dao động thẳng đứng của máy kéo có kể đến các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện làm việc: Tải trọng, vận tốc, độ mấp mô của mặt đường. Ngày nay trên thế giới các nghiên cứu về dao động của ô tô đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Dao động ô tô được nghiên cứu trong tổng thể hệ thống “Đường-Xe-Người”. Để nghiên cứu riêng biệt và tổng thể mối quan hệ vừa nêu, các hãng sản xuất ô tô và các cơ quan chuyên môn hàng đầu trên thế giới đã thiết lập các phòng thí nghiệm, xây dựng các bãi thử để nghiên cứu dao động của ô tô, trong đó có kể đến biên dạng thực tế của mặt đường và khả năng của con người chịu tác động của dao động.
9 Hướng chung của nghiên cứu hệ thống tổng thể “Đường-Xe-Người” được chia thành 3 hướng: - Nghiên cứu về biên dạng mặt đường (nguồn gây ra dao động). - Nghiên cứu hệ dao động ô tô (hệ thống treo khi ôtô chuyển động trên đường phức tạp...). - Nghiên cứu cảm giác của con người và sự an toàn hàng hoá chuyên chở chống cháy ở điều kiện phức tạp. 1.2.2. Các công trình nghiên cứu dao động của ô tô máy kéo ở Việt Nam Ở nước ta có một số công trình nghiên cứu về dao động của ô tô máy kéo như: Năm 1990, trong công trình nghiên cứu của Bùi Hải Triều [27], tác giả đã đưa ra một mô hình phản ánh khá đầy đủ về tính chất hoạt động và cấu trúc của máy kéo bánh (hình 1.6). Hình 1.6: Mô hình các phần tử máy kéo theo Bùi Hải Triều Mô hình mô tả tác động qua lại giữa các quá trình làm việc của động cơ với máy điều chỉnh, tính đến các tính chất đàn hồi và giảm chấn của các phần tử trong hệ thống, các tính chất bám và trượt của bộ ly hợp cũng như các bánh xe với mặt đường, tính chất biến đổi mô men quay, tốc độ quay và mô men quán tính của hệ thống truyền lực. Công trình trên chỉ xem xét các tác động của các yếu tố tới hệ thống truyền lực, chưa quan tâm một cách đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng tới sự chuyển động của liên hợp máy nói chung.
10 Năm 2002 TS. Lê Minh Lư [16] nghiên cứu dao động của máy kéo bánh hơi có tính đến đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi. Tác giả đã xây dựng mô hình, hệ phương trình vi phân và các điều kiện biên mô tả dao động thẳng đứng của máy kéo, của cầu trước, cầu sau và ghế ngồi có tính đến những đặc điểm riêng của hệ như liên kết một chiều giữa bánh xe và mặt đường, đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi. Công trình đã nghiên cứu một cách khá đầy đủ các dạng dao động của máy kéo có tính đến đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi trong trường hợp kích động mặt đường là các hàm ngẫu nhiên và xác định. Tuy nhiên công trình mới chỉ nghiên cứu trong trường hợp máy kéo di chuyển độc lập mà chưa tính đến dao động của máy kéo trong trường hợp kéo tải. TS. Nguyễn Tiến Đạt [4] đã nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận xuất gỗ rừng trồng bằng phương pháp kéo nửa lết của máy kéo bốn bánh cỡ nhỏ (18 - 24 mã lực). Công trình đã xây dựng mô hình và nghiên cứu dao động của máy kéo công suất nhỏ khi vận xuất trên mặt đường có dạng hàm xác định. Năm 2002, Th.S Nguyễn Văn Vệ [23] đã nghiên cứu dao động thẳng đứng của ghế ngồi trên máy kéo DFH - 180 khi vận xuất gỗ và giải pháp giảm xóc cho người lái. GS.TSKH. Nguyễn Hữu Cẩn [2] đã nghiên cứu tính êm dịu trong chuyển động của ô tô máy kéo, giải quyết vấn đề treo cho ghế ngồi để đảm bảo điều kiện êm dịu cho người lái. Công trình nghiên cứu cho thấy: tính êm dịu trong chuyển động của ô tô máy kéo được đánh giá qua các chỉ tiêu: tần số dao động thích hợp, gia tốc dao động thích hợp, thời gian tác động của dao động. Trong chuyển động, ô tô máy kéo dao động theo các phương: Thẳng đứng (OZ), phương ngang (OX), phương dọc máy (OY), các dao động theo phương thẳng đứng ảnh hưởng chính đến con người; theo phương ngang, phương dọc ảnh hưởng không đáng kể, có thể bỏ qua. Đối với máy kéo bánh bơm làm việc trên các mặt đường gồ ghề thân máy dao động với tần số 160 - 240 dao động/phút, vượt quá mức độ chịu đựng của con người, đối với máy kéo phải chú ý giải quyết vấn đề treo cho ghế ngồi để đảm bảo điều kiện cho người lái. Tác giả cũng đưa ra sơ đồ tính toán hệ thống treo cho ghế
11 ngồi với dạng kích động động lực và cho rằng khi tính toán thiết kế hệ thống treo cho ghế nên chọn tỷ số giữa tần số kích động và tần số dao động riêng của ghế trong khoảng 0,5 - 0,6. Năm 1993, TS.Lưu Văn Tuấn [22] đã xây dựng được mô hình dao động và khảo sát dao động xe ca do Việt Nam đóng. Từ đó đã đề ra mục tiêu nâng cao độ êm dịu cho xe khách Ba Đình; trong luận văn này tác giả đã chú ý mô tả thuộc tính đàn hồi giữa khung và vỏ là kết cấu đặc trưng của xe ca: xe ca có kết cấu khung - vỏ chịu lực. Tuy nhiên công trình này chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu lý thuyết. Th.S Nguyễn Đức Sĩ [25] đã nghiên cứu ổn định động lực học dọc liên hợp máy kéo cỡ nhỏ vận xuất gỗ khi khởi hành theo hướng lên dốc. Th.S Nguyễn Hồng Quang [17] đã nghiên cứu dao động của máy kéo Shibaura với thiết bị tời cáp khi vận xuất gỗ theo phương pháp kéo nửa lết. Th.S Nguyễn Quang Huy [12] đã nghiên cứu dao động của xe nhiều cầu. Th.S Trịnh Minh Hoàng [11] nghiên cứu, khảo sát dao động của xe tải hai cầu dưới tác động ngẫu nhiên của mặt đường. Tác giả đã trình bày một mô hình dao động xe tải hai cầu (không gian) và mô phỏng bằng MatLab Simulink 5.3. Phần mô hình và tính toán khá hoàn chỉnh, đã trình bày một phần dao động dưới kích động ngẫu nhiên của mặt đường. Luận án TS của tác giả Nguyễn Phúc Hiểu "Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ôtô khi chuyển động trên đường" đã chú trọng nghiên cứu ảnh hưởng của đường và xác định các hàm ngoại lực cho bài toán tính khung - xương. Th.S Huỳnh Hội Quốc [20] đã nghiên cứu về quá trình lắc ngang, lắc dọc của ô tô ở vận tốc cao. Th.S Hoàng Gia Thắng [19] đã nghiên cứu dao động trong mặt phẳng thẳng đứng của toa xe khách bốn trục hai hệ lò xo khi qua mối nối ray. TS.Võ Văn Hường [13] đã nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát dao động của ô tô tải nhiều cầu. Tác giả đã nghiên cứu sâu về lập mô hình dao động không
12 gian cho xe tải có yếu tố dao động ngang, khung xoắn chịu lực, thanh ổn định, có hệ thống treo có đặc tính phi tuyến, hàm kích động riêng rẽ và tổng hợp. TS. Đào Mạnh Hùng [9] đã xác định lực động giữa bánh xe và mặt đường của ô tô tải trong điều kiện sử dụng ở Việt Nam. Gần đây nhất, năm 2010 TS.Trần Việt Hà [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ êm dịu chuyển động của ô tô khách được đóng mới ở Việt Nam. Nhìn chung các công trình nghiên cứu về dao động của ô tô, máy kéo bánh hơi ở Việt Nam chưa nhiều, nhưng những kết quả nghiên cứu đó có ý nghĩa lớn cho việc hoàn thiện thêm kết cấu và chọn ra chế độ sử dụng hợp lý cho ô tô, máy kéo. Dao động của ô tô và máy kéo bánh hơi nói chung đã được nghiên cứu khá nhiều cả về lý thuyết và thực nghiệm, song dao động của xe chữa cháy nói chung, đặc biệt là xe chữa cháy rừng ít được nghiên cứu. Xe chữa cháy rừng đa năng là một mẫu xe mới được thiết kế chế tạo, chưa có công trình nào nghiên cứu về dao động của mẫu xe này. Dao động của xe gây nên tải trọng động đáng kể lên các cụm chi tiết, ảnh hưởng đến tính êm dịu chuyển động, khả năng ổn định chống lật, khả năng điều khiển, khả năng bám… Lực động tác động lên cơ cấu của máy sẽ biến đổi theo chu kỳ, gây ra hiện tượng mỏi, giảm tuổi thọ của các chi tiết và đặc biệt có thể gây nên hiện tượng cộng hưởng phá hỏng các chi tiết máy. Do vậy, nghiên cứu dao động của xe chữa cháy rừng đa năng là rất cần thiết. 1.3. Tổng quan về xe chữa cháy rừng đa năng Xe chữa cháy rừng đa năng (hình 1.8) được thiết kế chế tạo trên cơ sở xe Ural - 4320 tại nhà máy ô tô Mê Kông (Đông Anh, Hà Nội). Xe chữa cháy rừng đa năng là sản phẩm của đề tài cấp Nhà nước mã số KC 07.13/06-10 do trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì. Xe cơ sở URAL-4320 (hình 1.7) là kiểu xe tải việt dã đa năng 6x6 được sản xuất tại Nhà máy ô tô Ural ở thành phố Minsk (Nga) cho quân đội Nga. Loại xe này được thiết kế năm 1973, bắt đầu sản xuất từ năm 1976 và đến nay vẫn được tiếp tục. URAL-4320 là loại xe tải được phát triển từ loại URAL-375D. Trên cơ sở xe
13 tải URAL-4320 đã có nhiều biến thể như xe bồn chở nhiên liệu hay nước sạch, xe đầu kéo và xe mang dàn phóng rốc két 40 nòng BM-21 "Grad" và thậm chí còn được lắp pháo phòng không 23mm với đầu xe được bọc thép. Ngoài quân đội Nga, xe tải URAL- 4320 còn được các nước khác như Trung Quốc, Việt Nam… sử dụng. Nhờ khoảng sáng gầm xe H×nh 1.7: ¤ t« Ural - 4320 cao, Ural-4320 có khả năng vượt mọi địa hình, đặc biệt thích hợp với đường đèo núi, cồn cát,... Nó được đánh giá là loại xe hoạt động ổn định, sửa chữa, bảo dưỡng dễ dàng. Một số đặc tính kỹ thuật của Ural 4320 được trang bị động cơ V8 YamZ-238M2 và YamZ-236M2 V6 180 mã lực như sau [38]: Trọng lượng xe: 15300kg/14975kg Trọng tải: 6000kg/5000kg hoặc 27 ghế ngồi Trọng tải của rơ mooc: 11500kg Tốc độ tối đa: 82 km/h/75 km/h Lốp xe: 14.00-20 HC (PR) 14, có hệ thống tự động điều chỉnh áp suất. Hộp số tay 5 số, hộp phân phối 2 cấp khoá vi sai. Giảm xóc trước kiểu nhíp treo, giảm xóc sau kiểu nhíp đòn gánh. Trong đề tài cấp Nhà nước mã số KC 07.13/06-10 do trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam chủ trì, để phục vụ cho việc chữa cháy rừng, trên xe Ural - 4320 được trang bị thêm các thiết bị chuyên dùng như sau: Sau ca bin là téc nước; hai bên téc nước có các khoang đựng dụng cụ phụ trợ; phía trước xe lắp thiết bị cắt cây kiểu cưa đĩa được dẫn động từ động cơ thuỷ lực; phía sau téc nước có khoang chứa bơm nước, thiết bị hút đất và quạt thổi; ở phía dưới khoang có thiết bị đào, làm tơi đất và thiết bị làm sạch cỏ rác. Các thiết bị này đều được dẫn động thuỷ lực.
14 Xe chữa cháy rừng sử dụng chất chữa cháy là đất cát, không khí sẵn có tại chỗ, ngoài ra, còn sử dụng nước và hóa chất dập tắt đám cháy. Với hệ thống chặt hạ cây, cắt cây bụi, băm cỏ rác để tạo băng trắng cản lửa và cách ly đám cháy, từ đó dập tắt đám cháy. Ngoài việc sử dụng chữa cháy rừng, xe còn được sử dụng để phòng cháy rừng (chủ động làm sạch cỏ rác trong khu rừng trước mùa khô). Hình 1.8: Xe chữa cháy rừng đa năng thiết kế bằng phần mềm Solidwork Xe chữa cháy rừng đa năng được thiết kế có nhiều tính năng trong quá trình sử dụng để chữa cháy rừng; cần 5 đến 7 người để vận hành xe. 1.4. Các phương pháp nghiên cứu dao động Một cách tổng quát, nghiên cứu dao động ô tô nói chung gồm các nội dung chủ yếu sau: 1. Lập mô hình dao động của ô tô; 2. Xây dựng phương trình vi phân mô tả dao động của cơ hệ; 3. Giải và mô phỏng phương trình vi phân dao động của cơ hệ. Để nghiên cứu dao động ô tô người ta thường sử dụng các phương pháp sau: 1.4.1. Các phương pháp cơ học Ta có thể hiểu phương pháp nghiên cứu dao động ô tô chính là phương pháp lập và xử lý mô hình toán mô tả dao động của các khối lượng trong cơ hệ.
15 Thông thường người ta lập mô hình toán mô tả dịch chuyển của cơ hệ dưới dạng các phương trình vi phân. Có nhiều phương pháp lập phương trình vi phân cho cơ hệ như: phương pháp lực, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp Dalambe, phương pháp áp dụng phương trình Lagranger loại II… a) Phương pháp lực: [15] Phương pháp lực hay được sử dụng để thiết lập các phương trình dao động của các thanh có khối lượng tập trung. Phương pháp này được thực hiện theo các bước sau: - Bước 1: Viết định luật Hook suy rộng: q = D.f* Trong đó: D - Ma trận hệ số ảnh hưởng hay ma trận độ mềm; f* - Ma trận lực quán tính và ngoại lực tác dụng vào hệ; q - Dịch chuyển của hệ. - Bước 2: Sử dụng quan hệ giữa lực và gia tốc: f *  Mq  f Trong đó: M - Ma trận khối lượng - Bước 3: Xây dựng được phương trình vi phân từ các mối quan hệ trên: DMq  q  Df Chú ý: Ma trận độ cứng C và ma trận độ mềm D của hệ có quan hệ: C-1=D b) Phương pháp phần tử hữu hạn: [34] Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) là một phương pháp gần đúng để giải một số lớp bài toán biên. Theo phương pháp phần tử hữu hạn, trong cơ học, vật thể được chia thành những phần tử nhỏ có kích thước hữu hạn, liên kết với nhau tại một số hữu hạn các điểm trên biên (gọi là các điểm nút). Các đại lượng cần tìm ở nút sẽ là ẩn số của bài toán (gọi là các ẩn số nút). Tải trọng trên các phần tử cũng được đưa về các nút. Trong mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được xấp xỉ bằng những biểu thức đơn giản và có thể biểu diễn hoàn toàn qua các ẩn số nút. Dựa trên nguyên lí năng lượng, có thể thiết lập được các phương trình đại số diễn tả quan hệ giữa các ẩn số nút và tải trọng nút của một phần tử. Tập hợp các phần tử theo điều kiện liên tục sẽ nhận được hệ phương trình đại số đối với các ẩn số nút của toàn vật thể.
16 Để giải một bài toán biên trong miền W, bằng phép tam giác phân, ta chia thành một số hữu hạn các miền con Wj (j = 1,..., n) sao cho hai miền con bất kì không giao nhau và chỉ có thể chung nhau đỉnh hoặc các cạnh. Mỗi miền con Wj được gọi là một phần tử hữu hạn. Người ta tìm nghiệm xấp xỉ của bài toán biên ban đầu trong một không gian hữu hạn chiều các hàm số thoả mãn điều kiện khả vi nhất định trên toàn miền W và hạn chế của chúng trên từng phần tử hữu hạn Wj là các đa thức. Có thể chọn cơ sở của không gian này gồm các hàm số ψ1(x),..., ψn(x) có giá trị trong một số hữu hạn phần tử hữu hạn Wj ở gần nhau. Nghiệm xấp xỉ của bài toán ban đầu được tìm dưới dạng c1ψ1(x) + ... + cnψn(x) trong đó các ck là các số cần tìm. Thông thường người ta đưa việc tìm các c k về việc giải một phương trình đại số với ma trận thưa (chỉ có các phần tử trên đường chéo chính và trên một số đường song song sát với đường chéo chính là khác không) nên dễ giải. Có thể lấy cạnh của các phần tử hữu hạn là đường thẳng hoặc đường cong để xấp xỉ các miền có dạng hình học phức tạp. Phương pháp phần tử hữu hạn có thể dùng để giải gần đúng các bài toán biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình. Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đang được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như lí thuyết đàn hồi và dẻo, cơ học chất lỏng, cơ học vật rắn, cơ học thiên thể, khí tượng thuỷ văn, v.v. c) Phương pháp sử dụng nguyên lý Dalambe: Theo nguyên lý Dalambe, bài toán động lực học hệ dao động sẽ đưa về bài toán tĩnh học trên cơ sở đưa lực quán tính vào cơ hệ, khi đó phương trình chuyển động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng đại số các ngoại lực, phản lực và lực quán tính tác dụng lên hệ khảo sát. Khi đó, các phần tử của hệ dao động sẽ được tách độc lập và đặt ngoại lực cân bằng ở trạng thái tĩnh. Từ đó xây dựng các phương trình cho từng phần tử để giải hệ các phương trình đơn giản.
17 Phương pháp này khá thông dụng để giải các bài toán động lực học và trực quan hóa mối quan hệ ảnh hưởng lên từng phần tử riêng biệt trong hệ dao động. Phương pháp này được dùng khi hệ dao động đơn giản. d) Phương pháp sử dụng phương trình Lagranger loại II: Phương trình Lagranger hạng II có dạng tổng quát như sau: d T T     Qi   dt q i qi q i qi (1-1) Trong đó: T - hàm động năng của hệ; Π - hàm thế năng của hệ; Ф - hàm hao tán của hệ; Qi - lực suy rộng của hệ; qi - các tọa độ suy rộng của hệ. Sau khi tìm được các hàm động năng, thế năng, năng lượng hao tán và các lực suy rộng theo các toạ độ suy rộng, thay vào phương trình Lagranger hạng II ta sẽ nhận được một hệ phương trình vi phân. Số lượng phương trình vi phân trong hệ tỷ lệ thuận với số lượng của các khối lượng qui đổi trong mô hình. Bằng phương pháp giải tích, một hệ phương trình vi phân luôn luôn có thể biến đổi được về một phương trình vi phân bậc cao với số bậc phụ thuộc vào số phương trình vi phân trong hệ. Việc lựa chọn phương pháp này hay phương pháp khác phụ thuộc vào mô hình cơ học của cơ hệ. Trong đó, đối với các cơ hệ hôlônôm, giữ và dừng (là cơ hệ có các điều kiện ràng buộc được mô tả bằng những phương trình liên kết và trong phương trình liên kết không chứa các yếu tố vận tốc và thời gian [13] người ta thường sử dụng phương pháp áp dụng phương trình Lagranger loại II). 1.4.2. Các phần mềm ứng dụng để nghiên cứu dao động Nội dung của việc xử lý mô hình toán là việc giải và mô phỏng các phương trình vi phân đã lập được. Trong những trường hợp phương trình vi phân không quá
18 phức tạp, người ta thường ưu tiên sử dụng phương pháp giải tích để giải các phương trình vi phân. Tuy nhiên, nếu lập mô hình cơ học của hệ dưới dạng càng nhiều các khối lượng qui đổi, sẽ đồng nghĩa với việc nhận được một phương trình vi phân có số bậc càng cao; dẫn đến, việc giải và mô phỏng phương trình vi phân sẽ trở lên khó khăn hơn rất nhiều. Ngày này, với sự trợ giúp của máy tính điện tử đã khắc phục được vấn đề khó khăn nêu trên. Các hệ chương trình trợ giúp đắc lực cho việc giải và mô phỏng phương trình vi phân có khá nhiều. Có thể kể ra đây bốn chương trình tính toán đa năng được sử dụng phổ biến hơn cả là: Mathematica, Maple, Mathcad và Matlab & Simulink. a) Phần mềm Mathematica Mathematica lần đầu tiên được hãng Wolfram Research phát hành vào năm 1988, là một hệ thống nhằm thực hiện các tính toán toán học trên máy tính điện tử. Nó là một tổ hợp các tính toán bằng ký hiệu, tính toán bằng số, vẽ đồ thị và là ngôn ngữ lập trình tinh vi. Lần đầu tiên khi version 1 của Mathematica được phát hành, mục đích chính của phần mềm này là đưa vào sử dụng cho các ngành khoa học vật lý, công nghệ và toán học, nhưng cùng với thời gian Mathematica trở thành phần mềm quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác. Ngày nay Mathematica không những được sử dụng trong các ngành khoa học tự nhiên như vật lý, sinh học, toán học, hóa học, công nghệ mà nó đã trở thành một phần mềm quan trọng của các ngành khoa học xã hội cũng như kinh tế. Trong công nghệ ngày nay người ta đã sử dụng Mathematica trong công tác thiết kế. Trong kinh tế Mathematica lại là công cụ mạnh để tiến hành mô hình hóa các bài toán kinh tế phức tạp. Mathematica cũng là một trong các công cụ quan trọng trong khoa học máy tính cũng như trong lĩnh vực phát triển phần mềm. [36] b) Phần mềm Maple: Khái niệm đầu tiên về Maple xuất phát từ một cuộc họp vào tháng 11 năm 1980 tại Đại học Waterloo. Ngày nay Maple đã được phát triển khá hoàn thiện. Người dùng có thể nhập biểu thức toán học theo các ký hiệu toán học truyền thống.