1. Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án Mục đích của luận án: Xây dựng cơ sở khoa học để phục vụ cho việc tính toán xác định giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng đất cát nhằm nâng cao khối lượng và áp lực đất phun vào đám cháy, giảm rung động của máy, từ đó nâng cao hiệu quả dập lửa chữa cháy rừng Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là máy chữa cháy bằng đất cát 2. Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. * Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Luân án sử dụng lý thuyết cơ học, lý thuyết mô hình hóa, lý thuyết cắt đất ở dạng búa để xây dựng mô hình và thiết lập phương trình động lực học, sử dụng các phần mềm chuyên dùng để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu đánh giá. * Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Sử dụng phương pháp đo lường các đại lượng không điện bằng điện để đo một số thông số độc lực học của máy chữa cháy rừng bằng đất cát - Sử dụng phương pháp qui hoạch thục nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố để thiết lập hàm hồi qui, sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định một số thông số hợp lý của máy chữa cháy rừng bằng đất cát. 3. Kết quả chính và kết luận 1. Luận án đã xây dựng được mô hình, phương trình tính toán lực cắt đất ở dạng búa, công suất cắt- kéo văng đất, đã tiến hành khảo sát một số thông số ảnh hưởng đến công cắt -kéo văng đất, từ đó đã xác định được chiều dài dao cắt, bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất, trọng lượng dao cắt, công suất động cơ của máy cắt đất. Kết quả tính toán này đã sử dụng cho hoàn thiện hệ thống cắt đất dạng búa. 2. Luận án đã xây dựng được mô hình, hệ phương trình vi phân rung động của máy cắt đất, đã khảo sát hệ phương trình vi phân dao động, kết quả khảo sát cho thấy rung động của máy vượt quá giới hạn cho phép, đã đề xuất giải pháp giảm rung động của máy cắt đất. 3. Đã xây dựng mô hình tính toán quạt hút và phun đất vào đám cháy, đã khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến áp lực và vận tốc của quạt hút, từ kết quả khảo sát đã xác định được góc lắp ráp đầu ra β2 hợp lý của quạt hút và phun đất, đã tính toán được vận tốc cần thiết của không khí trong ống hút, công suất động cơ quạt hút và phun đất. Kết quả tính toán đã sử dụng để hoàn thiện hệ thống hút và phun đất. 4. Luận án đã xây dựng được phương pháp thực nghiệm xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát, kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã lập được hàm hồi qui thực nghiệm (4.25); (4.28) ảnh hưởng của đường kính đĩa thép lắp dao cắt (D), chiều dài dao cắt (L), góc lắp ráp đầu ra (β2), số cánh của quạt gió (Z) đến hàm mục tiêu là khối lượng và áp lực đất phun vào đám cháy. Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, luận án đã xác định được một số thông số tối ưu của máy đó là: Đường kính đĩa thép D= 15cm; chiều dài dao cắt đất L = 6 cm; góc lắp ráp đầu ra của quạt gió β2 = 100 độ; số cánh của quạt hút, phun đất Z =18 cánh, với thông số tối ưu này khối lượng và áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất. 4. Ý nghĩa khoa học của những kết quả nghiên cứu của đề tài luận án Luận án đã xây dựng được phương pháp luận nghiên cứu về máy chữa cháy rừng bằng đất cát. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế chế tạo và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng đất cát 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận án Kết quả nghiên cứu của luận án đã được sử dụng cho việc thiết kế chế tạo và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng đất cát, ngoài ra còn sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho việc tính toán thiết kế hệ thống cắt đất dạng búa.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - HỒNG MINH HỊA NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THƠNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2022 Luận án hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Dương Văn Tài TS Trần Văn Tưởng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp trường họp Trường Đại học Lâm nghiệp Vào hội: phút, ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia thư viện trường Đại học Lâm nghiệp Hà Nội, năm 2022 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Việt Nam có khoảng 14,8 triệu rừng, rừng chủ yếu tập trung nơi có địa hình phức tạp, độ dốc cao, hàng năm tài nguyên rừng cung cấp khối lượng lớn lâm đặc sản cho ngành kinh tế xã hội, tài nguyên rừng giúp điều hòa khí hậu, bảo vệ nguồn nước, chống sói mịn đất, song tài nguyên rừng nước ta có nguy bị suy giảm, nguyên nhận tình hình cháy rừng ngày trở nên nghiêm trọng [1] Theo thống kê cục Kiểm lâm [1], vòng 10 năm (2010 - 2020) Việt Nam xảy vài nghìn vụ cháy rừng làm thiệt hại hàng trăm nghìn rừng Trung bình năm bị thiệt hại khoảng 15.000 Không bị tổn thất mặt tài ngun mà cịn ảnh hưởng đến tính mạng người, cải vật chất môi trường sinh thái Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết thiết bị chữa cháy rừng, năm 2008 Bộ Khoa học Công nghệ giao cho Trường Đại học Lâm nghiệp thực đề tài trọng điểm cấp nhà nước: "Nghiên cứu công nghệ, thiết kế chế tạo thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng" mã số: KC07.13/06-10 Kết đề tài thiết kế chế tạo máy chữa cháy rừng đất cát, thiết bị sử dụng nhiều địa phương mang lại hiệu chữa cháy rừng cao Song thiết bị nhiều tồn rung động máy lớn, khối lượng áp lực đất cát phun vào đám cháy chưa cao Nguyên nhân tồn nêu đề tài trọng điểm cấp nhà nước tập trung vào tính tốn thiết kế chế tạo, chưa có nghiên cứu tính tốn tối ưu, chưa có nghiên cứu sâu động lực học máy Để có sở khoa học cho hoàn thiện máy chữa cháy rừng đất cát cần thiết phải tiến hành nghiên cứu sâu động lực học, nghiên cứu tính tốn tối ưu số thông số máy Xuất phát từ lý luận án tiến hành nghiên cứu với tên đề tài: "Nghiên cứu xác định số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng đất cát” Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng sở khoa học để từ tính tốn xác định giá trị tối ưu số thông số máy chữa cháy rừng đất cát, bảo đảm khối lượng áp lực đất cát phun vào đám cháy, nhằm nâng cao hiệu dập lửa chữa cháy rừng, giảm rung động máy Những đóng góp luận án Luận án xây dựng mơ hình động lực học, thiết lập phương trình tính tốn cơng suất cắt - kéo văng đất, phương trình vi phân rung động máy cắt đất, kết khảo sát công suất cắt - kéo văng đất, phương trình rung động hệ thống cắt đất sở khoa học cho việc xác định giá trị tối ưu thông số hệ thống cắt đất đề xuất giải pháp giảm rung động máy cắt đất chữa cháy rừng Đã xây dựng mơ hình tính tốn động lực học quạt hút phun đất chữa cháy rừng, khảo sát áp lực vận tốc quạt hút phun đất, kết khảo sát sở khoa học để tính tốn tối ưu quạt hút phun đất chữa cháy rừng Bằng nghiên cứu thực nghiệm luận án xác định giá trị tối ưu số thông số máy chữa cháy rừng đất cát là: Đường kính đĩa thép D=15 cm; chiều dài dao cắt đất L = cm; góc lắp ráp đầu quạt hút phun đất β2 = 100 độ; số cánh quạt hút phun đất Z = 18, thông số khoa học để hoàn thiện máy chữa cháy rừng đất cát Ý nghĩa khoa học luận án Kết nghiên cứu luận án xây dựng sở khoa học để tính tốn thông số động lực học máy chữa cháy rừng đất cát, đồng thời luận án xây dựng phương pháp thực nghiệm xác định số thông số động lực học máy Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm làm tài liệu khoa học cho tính tốn thiết kế, hoàn thiện thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng Ý nghĩa thực tiễn luận án Kết nghiên cứu luận án sử dụng cho việc thiết kế chế tạo hoàn thiện máy chữa cháy rừng đất cát đề tài trọng điểm cấp nhà nước thiết kế chế tạo, còn sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị có hệ thống cắt đất dạng búa máy đào hố trồng đất dốc, hệ thống đào đất hút, phun đất xe chữa cháy rừng đa Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các cơng trình nghiên cứu thiết bị chữa cháy rừng giới Chữa cháy rừng vấn đề phủ nước quan tâm, cơng trình nghiên cứu công nghệ thiết bị chữa cháy rừng giới phong phú thu nhiều thành tự to lớn, nghiên cứu tương đối hoàn thiện, từ kết nghiên cứu tạo thiết bị sử dụng thực tế Một tồn lớn nghiên cứu sử dụng chất chữa cháy nước, nên phạm vi hoạt động thiết bị hạn chế Trong thực tế cháy rừng chủ yếu xảy vào mùa khơ nên khơng có nguồn nước dẫn đến thiết bị không hoạt động Do vậy, cần phải nghiên cứu tìm chất chữa cháy sẵn có chỗ khơng khí đất cát Trung Quốc nước đầu nghiên cứu máy dập lửa sức gió, có nhiều cơng trình nghiên cứu máy này, có nhiều nhà máy, cơng ty sản xuất máy chữa cháy sức gió Nhưng máy dập lửa sức gió cịn nhiều tồn cần phải nghiên cứu hoàn thiện tăng vận tốc lưu lượng khơng khí, giảm trọng lượng máy Hiện nay, cơng trình cơng bố nghiên cứu tối ưu máy chữa cháy rừng sức gió, máy chữa cháy rừng đất cát giới hạn chế 1.2 Các cơng trình nghiên cứu thiết bị chữa cháy rừng Việt Nam Từ năm 2006 đến năm 2007, TS Dương Văn Tài Trường Đại học Lâm nghiệp thực đề tài cấp Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn: “Nghiên cứu khảo nghiệm cải tiến thiết bị chữa cháy rừng sử dụng đất cát, khơng khí nước dạng sương” [18], kết đề tài thiết kế chế tạo mẫu máy chữa cháy rừng đất cát, đề tài chưa có nghiên cứu tồn diện sâu máy chữa cháy đất cát mà tập trung vào phần thiết kế, cải tiến Năm 2010, tác giả Dương Văn Tài công bố kết nghiên cứu đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 [19]: “Nghiên cứu công nghệ thiết kế chế tạo thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng”, kết đề tài thiết kế, chế tạo khảo nghiệm máy chữa cháy rừng đất cát Máy chữa cháy rừng đất cát Cục sở hữu trí tuệ cấp độc quyền giải pháp hữu ích số 936 Song đề tài chưa nghiên cứu động lực học hệ thống đào đất, chưa nghiên cứu tính tốn tối ưu hệ thống đào đất, hệ thống hút phun đất đề tài chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế chế tạo khảo nghiệm Tóm lại: Đã có số cơng trình nghiên cứu dự báo cháy rừng, phòng chữa cháy mang lại hiệu lớn, cịn cơng trình nghiên cứu thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng hạn chế Việc nghiên cứu tạo thiết bị chữa cháy rừng chuyên dụng phù hợp với điều kiện địa hình, loại rừng, loại thực bì, phù hợp với tác nhân chữa cháy chỗ cần thiết kịp thời giai đoạn nay, đề tài: “Nghiên cứu số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng đất cát” cần thiết có tính thời Chương CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TỐN CÁC HỆ THỐNG CƠNG TÁC CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT 2.1 Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống cắt đất, hút đất phun đất vào đám cháy 2.1.1 Mô hình tính tốn hệ thống cắt đất, hút phun đất vào đám cháy Từ cấu tạo nguyên lý hoạt động máy chữa cháy rừng đất cát, luận án xây dựng mơ hình tính tốn máy chữa cháy rừng đất cát thể hình 2.1 Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn hệ thống cắt đất, hút đất phun đất 1- Đất rừng 5- Đất sau cắt 9- Buồng hút 2- Đĩa thép 6- Ống hút đất 10- Ống hút 3- Dao cắt đất 7- Quạt hút phun 4- Bao che 8- Ống phun đất - Nguyên lý hoạt động: Hệ thống cắt đất cắt theo nguyên lý cắt dạng búa, dao cắt đất (3) lắp với đĩa thép (2) khớp (O’), hoạt động dao cắt vừa quay quanh điểm O điểm O’ Đĩa thép quay với vận tốc lớn nên dao cắt dự trữ động lớn, tiếp xúc với đất tạo xung lực va chạm lớn, xung lực va chạm biến thành lực để cắt đất, với xung lực lớn đất phá vỡ tung lên với dao cắt Quạt hút (7) tạo đường ống hút (6) vận tốc khơng khí lớn, cửa hút (6) đất hút vào ống hút (6) vào buồng hút (9); buồng hút (9) đất cánh quạt hút (7) phun qua ống phun (8) với vận tốc lớn để dập lửa Nguyên lý làm việc hệ thống là: Sử dụng máy cắt để cắt đất, tung đất lên, sử dụng quạt hút đẩy với áp lực hút đẩy lớn để hút phun đất vào đám cháy Thiết bị cắt đất tung đất lên máy cắt đất có hệ thống cắt đất dạng búa, thiết bị tạo áp lực hút phun cao máy hút phun đất có quạt hút phun cao áp Từ mơ hình tính tốn hình 2.1, luận án cần phải giải ba toán sau đây: - Bài tốn thứ nhất: Xây dựng mơ hình động lực học để tính tốn hệ thống cắt đất máy cắt đất để lực cắt đất lớn nhất, chi phí lượng cắt nhỏ nhất, khối lượng đất đào tung lên lớn - Bài tốn thứ hai: Xây dựng mơ hình rung động máy cắt đất để thiết lập phương trình vi phân dao động máy, từ đưa giải pháp giảm rung cho máy - Bài toán thứ ba: Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống quạt hút phun đất để khối lượng đất, áp lực đất phun vào đám cháy lớn Sau luận án tiến hành nghiên cứu toán nêu để đáp ứng yêu cầu máy chữa cháy rừng đất cát là: Khối lượng đất áp lực đất phun vào đám cháy lớn nhất, rung động máy thấp nhất, từ hiệu dập lửa máy tăng lên, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe công nhân vận hành máy 2.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống cắt đất 2.1.2.1 Cấu tạo hệ thống cắt đất Máy cắt đất có cấu tạo hình 2.2 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống cắt đất Động cưa xăng; Bộ truyền đai; Đĩa thép để lắp dao cắt; Bu lông lắp dao; Dao cắt đất; Tấm tôn tạo buồng hút 2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động máy cắt đất Mô men quay từ trục động truyền qua côn truyền chuyển động đến dây đai, qua truyền dây đai làm đĩa thép quay Trên đĩa thép có lắp dao cắt, dao cắt quay xung quanh trục Khi chuyển động dao cắt gồm hai chuyển động quay với đĩa thép quay xung quanh trục tạo xung lực Khi cho dao tiếp xúc với đất xung lực dao biến thành lực cắt, thời gian va chạm ngắn nên lực cắt tăng lên lớn, dao cắt có lưỡi cắt hình nêm (giống lưỡi cuốc đất thủ công), với lực cắt lớn làm cho lưỡi cắt ăn sâu vào đất phá vỡ kết cấu đất đồng thời với chuyển động đĩa thép lưỡi cắt dao cắt tiến hành bẩy đất để phá vỡ kết cấu đất kéo đất dao cắt, phần đất sau bị cắt tung lên chuyển động dao cắt Mỗi vịng quay đĩa thép thực q trình cắt Tiếp tục cho dao cắt ăn sâu vào đất, dao cắt cắt đất tung đất lên, đất sau bị cắt tung lên buồng hút, buồng hút nối với quạt hút ống hút, đất hút phun vào đám cháy 2.2.Thiết lập hệ phương trình chuyển động hệ: Đĩa – dao cắt kéo văng đất Việc thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động hệ nhằm mục đích: Qua việc khảo sát phương trình này, đưa kích thước chi tiết máy hợp lý Đối với đĩa: Độ dài bán kính mơ men qn tính; dao cắt: Độ dài, mơ men qn tính, kiểu đầu dao cắt Trên sở cấu tạo nguyên lý hoạt động máy cắt đất, ta mơ hình hóa tốn học sau: (b) (a Hình 2.5 Mơ hình động lực học hệ: Đĩa - dao cắt kéo văng đất Đĩa thép để lắp dao cắt kéo văng đất có khối lượng M quay quanh trục nằm ngang O với vận tốc góc khơng đổi (rad/s), bán kính đĩa R Trên đĩa gắn hai búa có độ dài L, búa cắt đất thứ i quay quanh điểm Oi (gọi OiA) gắn đĩa có khoảng cách OOi = R Thanh búa có khối lượng riêng (theo chiều dài: kg/m) Lập hệ trục tọa độ: Oxy hình vẽ (Ox hướng xuống dưới, Oy nằm ngang) Gọi góc lập OOi Ox i , góc lập búa OiA với Ox i , góc lập búa điểm Oi với bán kính OOi γi Như vậy, lấy φ1 = φ φ2 = φ + π Do vậy, trường hợp tổng quát, hệ đĩa - búa có bậc tự do: góc γi góc φ Trong trường hợp đĩa quay vận tốc góc ω cịn lại hai bậc tự do, góc γ1 γ2 Gọi J1 mơ men qn tính đĩa trục Oz 2 Động đĩa : TĐ = J1 (2.1) với vận tốc góc đĩa Gọi điểm N(x,y) đoạn OiA Chọn hệ tọa độ địa phương Oix’ OiA, chiều dương Oix’ theo hướng OiA Có tọa độ O1(0), điểm A(L) Điểm N(x,y) cách Oi khoảng : x = R cos + cos ; sin (2.2) y iRcosi i cos i (2.3) y = R sin + Do : x iR sin i i sin i ; Động đoạn OiA : L ( Rcosi i cos i ) iR sin i i sin i (x y ) TOiA d i d 2 0 L L 2 L3 L2 TOi A R i i Ri i.cos i i Thế búa OiA : U Oi A g Oi A (2.4) L xd g Rcosi cos i d L2 UOi A g L.Rcosi cosi , (2.5 2.2.1 Tính cơng sinh q trình cắt đất a) Tính tốn lực cắt đất dao cắt tạo Lực cắt dao cắt tạo tính theo cơng thức sau: Pmax = (2.6) Tính lực phá hủy đất tính theo cơng thức sau: 2h Pc gh (2.18) với gh tra theo bảng tùy theo loại đất b) Tính mơ men xung lượng cắt đất văng đất dao cắt Ph L3 RL2 J1 R L. i 2 i cos( i ) c i 1 Skv m G b L3 2 J + m b L.R RL co s ( ) G i i 1 (2.30) c) Công sinh xung lượng cắt – kéo văng đất (tính trung bình): Ac-v A c kv Pch L3 RL2 J R L cos( ) i i i 2m G b 2 i 1 Pc bt b 2h L 2 J1 + m G b L.R RL cos( i ) i 1 2.2.2 Tính cơng suất để cắt – kéo văng đất N c kv Ac kv t Pc h L3 RL2 J R L c os( ) i i i 2mGb 2 i 1 b Pc b 2h L3 2 J1 + mG b L.R RL cos( i ) i 1 Các ký hiệu công thức (242) sau: b- khoảng cách từ tâm đĩa thép lắp dao (điểm O) đến đầu dao (điểm A); mG- khối lượng đất kéo văng; J1- mơ men qn tính đĩa thép lắp dao cắt; ρ – mật độ khối lượng chiều dài dao cắt đất; R- bán kính đĩa thép lắp dao cắt (tính từ tâm đến điểm lắp dao); L- chiều dài dao cắt đất; ɷ - vận tốc góc đĩa thép lắp dao cắt đất; Pc- lực cắt đất; γ – góc hợp đường thẳng (OO1) với dao cắt (O1A) Nhận xét: Công suất động cắt đất phục thuộc vào nhiều yếu tố bán kính đĩa thép R1, chiều dài dao cắt đất L, vận tốc góc ɷ, khối lượng dao cắt , để xác định qui luật ảnh hưởng yếu tố cầm khảo sát phương trình tính cơng suất động (2.42) 2.3 Tính tốn rung động hệ thống cắt đất 2.3.1 Xây dựng mơ hình tính dao động hệ máy cắt đất dạng búa Khi vận hành tác nghiệp máy cắt đất dạng búa, người sử dụng đặt máy nằm ngang mặt đất giữ hai tay hai tay nắm (hình 2.7), nối thân máy hệ thống cắt đất với tay nắm lò xo độ cứng C1, tay cầm ngang lị xo độ cứng C2.Phương trình dao động hệ máy cắt đất dạng búa xây dựng mơ hình động lực học mơ tả hình 2.7b Chương KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT 3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến công suất cắt- kéo văng đất Căn vào kết thực nghiệm tài liệu [18]; [19], luận án khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến công suất cắt - kéo văng đất theo công thức (2.42) 3.1.1 Ảnh hưởng bán kính động học đĩa thép đến cơng suất cắt -kéo văng đất Ảnh hưởng bán kính đĩa thép lắp dao cắt đến công suất cắt- kéo văng đất thể hình 3.1 Hình 3.1: Ảnh hưởng bán kính đĩa thép lắp dao cắt đến cơng suất cắt- kéo văng đất Từ kết nhận đồ thị 3.1 có nhận xét sau: - Cơng suất cắt- kéo văng đất đồng biến với bán kính đĩa thép, bán kính tăng lên, vận tốc dài dao cắt tăng lên, động dao cắt tăng lên, dẫn đến xung lực tăng lên, công suất cắt tăng lên 3.1.2 Ảnh hưởng chiều dài dao cắt đất đến công suất cắt- kéo văng đất Ảnh hưởng chiều dài dao cắt đến công suất cắt - kéo văng đất thể hình 3.2 12 Hình 3.2: Ảnh hưởng chiều dài dao cắt đến công suất cắt - kéo văng đất 3.1.3 Ảnh hưởng mật độ khối lượng dao cắt đến công suất cắt - kéo văng đất Sự ảnh hưởng khối lượng dao đến công suất cắt- kéo văng đất thể hành 3.3 Hình 3.3: Ảnh hưởng mật độ khối lượng dao đến công suất cắt- kéo văng đất Từ kết nhận có nhận xét sau: Cơng suất cắt - kéo văng đất đồng biến với mật độ khối lượng dao cắt, mật độ khối lượng dao tăng, động tăng lên, xung lực va chạm tăng lực cắt tăng lên, công suất cắt tăng lên 3.1.4 Khảo ảnh hưởng vận tốc góc đĩa thép lắp dao cắt đến đến công suất cắt kéo văng đất Ảnh hưởng vận tốc góc đến cơng suất cắt - kéo văng đất thể hình 3.4 13 Hình 3.4: Ảnh hưởng vận tốc góc đến cơng suất cắt - kéo văng đất 3.2 Khảo sát rung động hệ thống cắt đất 3.2.1 Xác định thông số đầu vào để khảo sát rung động hệ thống Phương trình vi phân dao động hệ thống cắt đất thiết lập theo (2.49) Các thông số đầu vào để khảo sát rung động máy theo (2.49) sau: C1y - Độ cứng theo phương thẳng đứng y hệ thống, tính theo tài liệu kỹ thuật máy ta có: C1y= 200N.m; C2y- Độ cứng lò xo theo phương thẳng đứng hệ thống theo tài liệu kỹ thuật máy ta có C2y= 50N.m; R - Bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất, R = 0,08 (m); L - Chiều dài dao, L = 0,07 (m); md - Khối lượng dao cắt, m1 = 50 g; ω - Vận tốc góc trục đĩa lắp đĩa thép = 125 rad/s; L1= 13cm , a=10cm , L3=17cm , L2= 27cm Trọng lượng toàn máy Mm =9,5kG n - Số vòng quay đĩa thép lắp dao cắt n = 1.200 (v/p) Lực kích động gây rung tính theo cơng thức (2.63), dạng kích động theo quy luật hình 2.9, q trình khảo sát lực kích động lấy giá trị định 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng vận tốc góc đĩa thép lắp dao cắt đến gia tốc rung động máy Luận án tiến hành khảo sát với tham số đầu vào thay đổi vận tốc góc đĩa thép lắp dao cắt ɷ1 = 125 rad/s, ɷ2 = 165rad/s, ɷ3 = 205rad/s, kết khảo sát thể hình 3.6; 3.7; 3.8 14 Hình 3.6: Gia tốc rung động máy ứng với ɷ1= 125 rad/s Hình 3.7: Gia tốc rung động máy ứng với ɷ2= 165rad/s Hình 3.8: Gia tốc rung động máy ứng với ɷ3= 205rad/s Từ kết khảo sát thu luận án đưa số nhận xét sau: - Gia tốc rung động hệ thống cắt đất có dạng tuần hồn, phụ thuộc vào vận tốc góc đãi thép lắp dao cắt đất - Gia tốc rung động lớn gia tốc rung động cho phép máy, gia tốc rung động ảnh hưởng đến kết cấu độ bền chi tiết hệ thống cắt đất, đồng thời ảnh hưởng đến dao động máy 15 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng độ cứng lò xo giảm rung C1 đến gia tốc rung động máy Luận án tiến hành khảo sát thay đổi đầu vào chương trình mơ với thay đổi độ cứng lò xo giảm rung C1 = 200 N/m; C1 =300 N/m; C1=400N/m, C2 lấy giá trị cố định C2 = 50 N/m, kết mô đồ thị hình 3.9; 3.10; 3.11 Hình 3.9: Gia tốc rung động hệ thống cắt đất ứng với độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 200N/m Hình 3.10: Gia tốc rung động hệ thống cắt đất ứng với độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 300N/m Hình 3.11: Gia tốc rung động hệ thống cắt đất ứng với độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 400N/m Từ kết khảo sát thu có nhận xét sau: 16 Gia tốc rung động máy phục thuộc vào độ cứng lò xo giảm chấn liên kết máy tay cầm, độ cứng lị xo C1 = 300N/m gia tốc rung động nhỏ nhất, kết khảo sát sở khoa học để đưa giải pháp chống rung động cho hệ thống cắt đất 3.3 Khảo sát thông số ảnh hưởng đến vận tốc áp lực quạt hút phun đất 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng góc lắp ráp đầu đến vận tốc quạt hút phun đất Để tìm qui luật ảnh hưởng góc lắp ráp đầu β2 đến vận tốc quạt hút, luận án tiến hành khảo sát phương trình (2.73) Phương pháp khảo sát sử dụng phần mềm phần mềm Matlab – Simulink, thông số đầu vào cho khảo sát gồm có: r1 = 10cm; r2 = 4cm, kết khảo sát thể hình 3.12 Hình 3.12: Ảnh hưởng góc β2 đến vận tốc quạt hút phun đất Nhận xét: Ảnh hưởng góc lắp ráp đầu quạt hút dạng phi tuyến, với góc lắp ráp đầu β2 = 100-125 độ vận tốc tuyệt đối khơng khí đầu lớn nhất, kết khảo sát sở để xác định thơng số hợp lý góc β2 thiết kế chế tạo quạt hút phun đất chữa cháy rừng 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng góc lắp ráp đầu đến áp lực phun quạt hút Để xác định ảnh hưởng góc β2 đến áp lực quạt hút phun đất, luận án tiến hành khảo sát công thức (2.76) Phương pháp khảo sát sử dụng phầm mềm phần mềm Matlab – Simulink, thông số đầu vào cho khảo sát gồm có: r1 = 10cm; r2 = 4cm, kết khảo sát thể hình 3.13 Hình 3.13: Ảnh hưởng góc β2 đến áp lực quạt hút, phun đất 17 Từ kết khảo sát thu luận án có nhận xét sau: - Ảnh hưởng góc lắp ráp đầu đến áp lực quạt hút quan hệ phi tuyến, góc lắp ráp đầu β2 thay đổi từ 100 - 125 độ cho áp lực hút phun lớn - Kết khảo sát sở khoa học để lựa chọn thông số hợp lý góc lắp ráp đầu tính toán thiết kế chế tạo quạt hút, phun đất cắt chữa cháy rừng Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG LÝ THUYẾT VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT 4.1 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm 4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Xác định ảnh hưởng số thông số hệ thống cắt đất đến công suất cắt - kéo văng đất, rung động máy đào đất, ảnh hưởng thông số quạt hút áp đến khối lượng đất phun áp lực đất phun vào đám cháy, từ kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết lập chương giải toán tối ưu xác định số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng đất cát 4.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt mục tiêu nghiên cứu nghiên cứu thực nghiệm phải thực nhiệm vụ sau: - Xác định công suất cắt - kéo văng đất, rung động máy cắt đất; - Xác định vận tốc dòng khí áp lực quạt hút, phun; - Xác định ảnh hưởng đường kính đĩa thép hệ thống cắt đất đến khối lượng áp lực đất phun; - Xác định ảnh hưởng chiều dài dao cắt đến khối lượng áp lực đất phun; - Xác định ảnh hưởng góc lắp đầu β2 quạt gió đến khối lượng áp lực đất phun; - Xác định ảnh hưởng số lượng cánh quạt gió cao áp đến khối lượng áp lực đất phun - Từ kết nghiên cứu thực nghiệm, luận án thiết lập hàm hồi qui, sử dụng phương pháp giải toán tối ưu đa mục tiêu để xác định giá trị số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng đất cát 4.2 Đối tượng thiết bị nghiên cứu thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm máy chữa cháy rừng đất cát đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/60-10 thiết kế chế tạo Công ty cổ phần thiết bị chuyên dùng Việt Nam sản xuất thương mại hóa Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm thể hình 4.1 18 Hình 4.1: Thí bị nghiên cứu thực nghiệm 4.3 Tổ chức tiến hành thí nghiệm 4.3.1 Đo mơ men xoắn trục lắp đĩa đĩa thép Các thí nghiệm đo mơ men xoắn trục trục lắp đĩa thép thực rừng thực nghiệm Trường Đại học Lâm nghiệp với thơng số sau: - Đất thí nghiệm: Là đất tự nhiên rừng, loại đất đất thịt có lẫn sỏi, rẽ cây, độ ẩm đất 30%, độ chặt đất 15kg/cm2 - Thiết bị thí nghiệm: Khối lượng dao cắt m = 50g , bán kính đĩa thép R0 thay đổi sau: R0 = 6cm; R0 = 7cm; R0 = 8cm; R0 = 9cm; R0 = 10cm, chiều dài dao cắt lấy giá trị cố định: l = 7cm, số vòng quay trục lắp dao cắt đất n = 1500 vịng/ phút Q trình thí nghiệm thể hình 4.11 Hình 4.11: Thực nghiệm đo mô men, gia tốc rung động hệ thống cắt đất 19 Hình 4.12: Biểu đồ mơ men xoắn trục đĩa thép lắp dao cắt theo thời gian cắt 4.3.2 Đo gia tốc rung máy cắt đất Đồng thời với đo mô men xoắn trục lắp đĩa thép, luận án tiến hành đo gia tốc rung động máy Để đảm bảo tin cậy số liệu thí nghiệm 95%, theo số liệu thí nghiệm thăm dò ban đầu, xác định số lần lặp lại cho thí nghiệm Q trình thí nghiệm theo phương pháp thống kê toán học, tham số đầu vào thay đổi giá trị khác theo chiều tăng dần Kết thí nghiệm xử lý phần mềm Tcwin Catman, hình 4.13 biểu đồ gia tốc rung động hệ thống cắt đất Hình 4.13: Biểu đồ gia tốc rung động hệ thống cắt đất 4.4 Kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết 4.4.1 Kiểm chứng mơ hình tính tốn cơng suất cắt- kéo văng đất Để so sánh kết tính theo lý thuyết với thực nghiệm, bảng 4.1 trình bày kết tính theo lý thuyết tương ứng với đại lượng xác định thực nghiệm (các thông số q trình khảo nghiệm có giá trị 20 với thơng số tính theo mơ hình lý thuyết) Kết tính cơng suất cắt- kéo văng đất lý thuyết thực nghiệm ghi bảng so sánh 4.1 Bảng 4.1 So sánh lực cắt đất tính tốn theo lý thuyết với kết thực nghiệm Bán kính đĩa thép (cm) Công suất cắt - kéo văng đất (KW) Lý thuyết Thực nghiệm Sai số (%) 2,46 2,72 9,6 2,75 3,02 8,9 2,93 3,22 9,0 3,37 3,66 7,9 10 3,93 4,31 8,8 Từ kết bẳng 4.1 có nhận xét sau: - Sai lệch kết xác định công suất cắt - kéo văng đất thực nghiệm so với tính theo lý thuyết nằm phạm vi cho phép chấp nhận được, mơ hình tính tốn cơng suất cắt - kéo văng đất theo lý thuyết tin cậy Có sai lệch kết thực nghiệm lý thuyết trình thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng tác động lẫn mà nghiên cứu lý thuyết chưa kể đến tác động 4.4.2 Kiểm chứng mơ hình tính toán rung động máy cắt đất Luận án tiến hành xác định gia tốc rung động máy cắt đất thay đổi bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất, kết thu dạng biểu đồ (hình 4.13) sử dụng phần mềm DMC-Plus, Catman xác định gia tốc rung cực đại ứng với bán kính đĩa thép lắp dao cắt khác Để đánh giá độ tin cậy mơ hình lý thuyết tính tốn dao động hệ thống cắt đất, luận án so sánh kết tính tốn theo mơ hình lý thuyết với kết thực nghiệm bảng 4.2 Bảng 4.2 Bảng so sánh gia tốc rung động cực đại hệ thống cắt đất mơ hình tính tốn lý thuyết kết thực nghiệm Bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất (cm) Gia tốc rung động cực đại tính theo mơ phỏng lý thuyết (m/s2) Gia tốc rung động cực đại xác định bằng thực nghiệm (m/s2) Sai số (%) 6,2 6,8 8,82 8,5 9,3 8,60 10 10,2 11,3 9,73 Nhận xét: Từ kết bảng 4.2 có nhận xét sau: 21 - Đồ thị gia tốc rung động hệ thống cắt đất lý thuyết thực nghiệm tương tự nhau, phù hợp với qui luật thay đổi lực kích động xung lực cắt đất gây - Gia tốc rung động cực đại hệ thống cắt đất đồng biến với bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất, bán kính đĩa thép tăng lên, xung lực va đập tăng lên, lực cắt tăng lên, từ gia tốc rung động tăng lên - Sai số gia tốc rung động hệ thống cắt đất, cắt đất tính theo kết mơ lý thuyết với kết xác định thực nghiệm nằm phạm vi cho phép, mơ hình tính tốn rung động máy cắt đất lập chương tin cậy 4.5 Xác định số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng bằng đất cát 4.5.1.Chọn phương pháp nghiên cứu Phương pháp quy hoạch thực nghiệm sở lý luận nghiên cứu thực nghiệm đại có nhiều ưu điểm, cơng cụ tốn học giữ vai trị tích cực Cơ sở tốn học lý thuyết quy hoạch thực nghiệm toán học thống kê với lĩnh vực quan trọng phân tích phương sai phân tích hồi quy Nội dung phương pháp quy hoạch thực nghiệm trình bày tài liệu [6]; [13] Dưới ứng dụng phương pháp vào toán cụ thể 4.5.2 Chọn hàm mục tiêu nghiên cứu Có nhiều tiêu đánh giá chất lượng hiệu dập lửa máy, luận án chọn hai hàm mục tiêu quan trọng hàm khối lượng đất phun vào đám cháy ký hiệu Q đơn vị tính (kg/phút) hàm mục tiêu áp lực đất phun vào đám cháy, ký hiệu P đơn vị tính (N) 4.5.3 Chọn tham số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu Qua phân tích trên, theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm luận án chọn yếu tố có ảnh hưởng lớn đến khối lượng áp lực đất phun vào đám cháy để nghiên cứu là: Đường kính đĩa thép ký hiệu D, đơn vị tính (cm); chiều dài dao cắt ký hiệu L đơn vị tính (cm); góc lắp đầu cánh quạt gió cao áp ký hiệu β2 đơn bị tính (độ); số lượng cánh quạt gió ký hiệu Z Miền biến thiên thông số xác định từ điều kiện kỹ thuật, từ kết nghiên cứu chương kết khảo sát chương 4.5.3 Kết thực nghiệm đa yếu tố Kết thực nghiệm đơn yếu tố cho thấy ảnh hưởng tham số vào hàm mục tiêu chủ yếu phi tuyến, luận án không tiến hành qui hoạch thực nghiệm bậc mà thực qui hoạch thực nghiệm bậc hai, bước thực nghiệm đa yếu tố tiến hành sau: 22 4.5.3.1 Chọn vùng nghiên cứu giá trị biến thiên thông số đầu vào Từ kết thực nghiệm đơn yếu tố, chọn miền biến thiên thơng số đầu vào sau: Mức thí nghiệm giá trị mã hố thơng số đầu vào ghi vào bảng 4.11 Bảng 4.11 Mức thí nghiệm thông số đầu vào Các thông số vào Các mức Giá trị mã X1 X2 X3 X4 D( cm) L ( cm) β2( độ) Z Mức 18 105 20 Mức sở 15 100 18 Mức -1 12 95 16 Khoảng biến thiên 4.5.3.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm Theo 13, chọn ma trận thực nghiệm theo kế hoạch Boks - Benken miền siêu cầu với bốn thông số đầu vào trình bày bảng 4.12 Bảng 4.12 Ma trận thí nghiệm theo kế hoạch Boks - Benken TT X1 X2 X3 X4 TT X1 X2 X3 X4 -1 -1 0 15 -1 0 +1 +1 -1 0 16 +1 0 +1 -1 +1 0 17 -1 -1 +1 +1 0 18 +1 -1 -1 -1 19 -1 +1 +1 -1 20 +1 +1 -1 +1 21 0 -1 -1 +1 22 0 +1 -1 -1 -1 23 0 -1 +1 10 +1 -1 24 0 +1 +1 11 -1 +1 25 0 0 12 +1 +1 26 0 0 13 -1 0 -1 27 0 0 14 +1 0 -1 4.5.3.3 Kết thí nghiệm đa yếu tố a) Ảnh hưởng tham số đến hàm khối lượng đất phun Sử dụng phần mềm chương trình xử lý số liệu thực nghiệm, sau tính tốn kết sau: 23 - Mơ hình hồi qui dạng thực: Q = -77.50431 + 0.824404D + 0.435675 L + 1.152349β + 1.569497Z - 0.002198DL + 0.001092 Dβ + 0.003233 DZ + 0.0015 Lβ -0.001875 LZ 0.000333βZ-0.032459D2-0.041736L2-0.005828β2-0.043611Z2 (4.25) b) Ảnh hưởng tham số đến hàm áp lực phun Sử dụng phần mềm chương trình xử lý số liệu thực nghiệm Sau tính tốn kết sau: - Mơ hình hồi qui dạng thực: P = -629.052443 + 7.556757D + 8.538937L + 8.667088 β + 14.106034Z 0.108046DL - 0.034138Dβ -0.034626DZ- 0.053333Lβ - 0.010417LZ -0.066667βZ 0.099942D2- 0.122222L2 - 0.032889β2-0.179514Z2 (4.28) 4.5.4 Xác định giá trị tối ưu tham số ảnh hưởng Mục đích tốn tìm giá trị D; L; β2, Z để hàm khối lượng áp lực đất phun lớn nhất, toán tối ưu đa mục tiêu, để giải toán cần phải lựa chọn xây dựng phương pháp giải - Xác định giá trị cực đại hàm mục tiêu: Bằng phương pháp chia lưới miền [D (12,18); L(4,8) ; β(95,105); Z(16,20)], tính giá trị hàm số nút lưới so sánh chúng để tìm trị lớn Bằng việc chia lưới miền khảo sát thành 104 điểm, xác định giá trị cực trị hàm sau: Chia lưới miền [D (12,18);L(4,8) ; β(95,105); Z(16,20)] thành 104 điểm, tính giá trị hàm số nút lưới so sánh chúng để tìm trị lớn : 1,9872 giá trị : D = 15 ; L = ; β2 = 100 ; Z = 18,4 Do số cánh quạt phải số tự nhiên nên so sánh giá trị hàm hai điểm : D = 15 ; L = ; β2 = 100 ; Z = 18 có = 1,9830 D = 15 ; L = ; β2 = 100 ; Z = 19 có = 1,9757 Như giá trị tối ưu số thông số máy chữa cháy rừng đất cát là: - Đường kính đĩa thép D = 15 cm; Chiều dài dao cắt L = cm; - Góc lắp ráp đầu quạt gió β = 100 độ; Số cánh quạt gió cao áp Z =18 cánh Các thông số khoa học để hoàn thiện máy chữa cháy rừng đất cát KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thu kết nghiên cứu, luận án rút số kết luận sau: Máy chữa cháy rừng đất cát sản phẩm Cục sở hữu trí tuệ Việt Nam cấp độc quyền giải pháp hứu ích, máy sử dụng chữa cháy 24 rừng nhiều địa phương cho hiệu chữa cháy rừng cao, nhiên máy số tồn hạn chế cần tiếp tục hoàn thiện để nâng cao hiệu chữa cháy rừng Luận án xây dựng mơ hình, phương trình tính tốn lực cắt đất dạng búa, công suất cắt- kéo văng đất, tiến hành khảo sát số thông số ảnh hưởng đến cơng cắt -kéo văng đất, từ xác định chiều dài dao cắt, bán kính đĩa thép lắp dao cắt đất, trọng lượng dao cắt, công suất động máy cắt đất Kết tính tốn sử dụng cho hồn thiện hệ thống cắt đất dạng búa Luận án xây dựng mơ hình, hệ phương trình vi phân rung động máy cắt đất, khảo sát hệ phương trình vi phân dao động, kết khảo sát cho thấy rung động máy vượt giới hạn cho phép, đề xuất giải pháp giảm rung động máy cắt đất Đã xây dựng mơ hình tính toán quạt hút phun đất vào đám cháy, khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến áp lực vận tốc quạt hút, từ kết khảo sát xác định góc lắp ráp đầu β2 hợp lý quạt hút phun đất, tính tốn vận tốc cần thiết khơng khí ống hút, công suất động quạt hút phun đất Kết tính tốn sử dụng để hồn thiện hệ thống hút phun đất Luận án xây dựng phương pháp thực nghiệm xác định số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng đất cát, kết nghiên cứu thực nghiệm lập hàm hồi qui thực nghiệm (4.25); (4.28) ảnh hưởng đường kính đĩa thép lắp dao cắt (D), chiều dài dao cắt (L), góc lắp ráp đầu (β2), số cánh quạt gió (Z) đến hàm mục tiêu khối lượng áp lực đất phun vào đám cháy Sử dụng phương pháp giải toán tối ưu đa mục tiêu, luận án xác định số thơng số tối ưu máy là: Đường kính đĩa thép D= 15cm; chiều dài dao cắt đất L = cm; góc lắp ráp đầu quạt gió β2 = 100 độ; số cánh quạt hút, phun đất Z =18 cánh, với thông số tối ưu khối lượng áp lực đất phun vào đám cháy lớn Kết nghiên cứu đề tài luận án sử dụng để hoàn thiện máy chữa cháy rừng đất cát dự án cấp nhà nước: “Hỗ trợ thương mại hóa cơng nghệ chế tạo số thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng thương hiệu Việt Nam”, từ khắc phục tồn hạn chế máy cũ, nâng cao hiệu dập lửa thiết bị Kiến nghị Do thời gian nghiên cứu có hạn, để đề tài hồn thiện cần tiếp tục nghiên cứu số vấn đề sau: Theo nguyên lý hoạt động máy đất quạt hút phun vào đám cháy, nên trình chuyển động phần đất va đập với cánh quạt, việc nghiên cứu ảnh hưởng lực va đập đất đến rung động máy hút phun ảnh hưởng đến công suất máy cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao suất hút phun đất vào đám cháy 25 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Trần Văn Tưởng, Dương Văn Tài, Hồng Minh Hịa, “Khảo sát động lực học hệ thống cắt đất máy chữa cháy rừng đất cát”, Tạp chí Cơng nghiệp nơng thơn số 31/2018 trang 17-23 Hồng Minh Hịa, Dương Văn Tài, “Dao động máy chữa cháy rừng đất cát”, Tạp chí Cơng nghiệp nơng thơn số 42/2021 trang 48-55 Hồng Minh Hịa, Dương Văn Tài, “Xác định số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng đất cát”, Tạp chí Cơng nghiệp nơng thơn số 42/2021 trang 56-61