THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – ISSN 1859 0209 15 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CHUYÊN CHỞ GIỚI HẠN CỦA XE BƠI TỰ HÀNH B[.]
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CHUYÊN CHỞ GIỚI HẠN CỦA XE BƠI TỰ HÀNH BÁNH LỐP TRONG GIAI ĐOẠN CHUYỂN TIẾP Đặng Đình Vũ1,*, Nguyễn Viết Tân1 1Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Tóm tắt Bài báo trình bày phương pháp xây dựng mơ hình động lực học khảo sát chuyển động xe bơi tự hành bánh lốp giai đoạn chuyển tiếp (phương tiện thay đổi môi trường làm việc từ cạn xuống nước) Nghiên cứu thực từ thời điểm phương tiện bắt đầu tiếp xúc với môi trường nước có tách bánh xe cầu trước khỏi mặt bến, điều kiện góc bến nhỏ 15 độ vận tốc di chuyển không lớn 20 km/h Kết báo cho phép xác định quãng đường di chuyển lớn mặt bến mà phương tiện di chuyển nhỏ 3,5m (đối với xe bơi tự hành bánh lốp BAV) để đảm bảo điều kiện khơng chìm nước, từ cho phép xác định tải trọng tải trọng chuyên chở giới hạn Từ khóa: Tải trọng chuyên chở giới hạn; xe bơi tự hành bánh lốp; động lực học chuyển động; giai đoạn chuyển tiếp; giai đoạn vào nước Mở đầu Q trình thực hành bảo đảm vượt sơng phương tiện vượt sơng tự hành (PTVSTH) nói chung xe bơi tự hành (XBTH) bánh lốp nói riêng thường bao gồm giai đoạn: Giai đoạn chuyển động cạn, giai đoạn bơi nước giai đoạn chuyển động chuyển tiếp (vào nước nước) Trong đó, giai đoạn chuyển động chuyển tiếp có vai trị quan trọng giai đoạn định tới thời gian hiệu q trình vượt sơng phương tiện Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu nước nghiên cứu chuyển động phương tiện giai đoạn [1, 4, 5], kết chưa phản ánh cách đầy đủ chất trình chuyển tiếp Nội dung báo trình bày ảnh hưởng tải trọng chuyên chở trình chuyển động chuyển tiếp XBTH bánh lốp, từ xác định tải trọng giới hạn mà phương tiện cụ thể chuyên chở để bảo đảm tính khơng chìm xuống bến Xây dựng mơ hình động lực học chuyển động xe bơi tự hành bánh lốp giai đoạn chuyển tiếp 2.1 Các giai đoạn chuyển động xe bơi tự hành bánh lốp Quá trình chuyển động XBTH gồm giai đoạn, thể hình * Email: dinh-vu.dang@mta.edu.vn 15 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 II III II2 W I II1 L Hình Sơ đồ mô tả giai đoạn chuyển động XBTH bánh lốp Các giai đoạn chuyển động XBTH bao gồm: Giai đoạn chuyển động cạn (giai đoạn I), giai đoạn chuyển động chuyển tiếp (giai đoạn II), giai đoạn chuyển động nước (giai đoạn III) Trong giai đoạn chuyển động chuyển tiếp bao gồm hai phân đoạn: Phân đoạn II1 phân đoạn tính từ thời điểm phương tiện bắt đầu tiếp xúc với nước xảy trình tách bánh (phương tiện quay quanh vị trí tiếp xúc bánh xe sau với mặt bến); phân đoạn II2 phân đoạn tính từ thời điểm cuối phân đoạn II1 đến phương tiện đạt trạng thái “bình ổn” so với mặt nước (đường WL) 2.2 Xây dựng mô hình động lực học xe bơi tự hành bánh lốp giai đoạn chuyển tiếp 2.2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình - Coi phương tiện tải chuyên chở vật rắn, đối xứng qua mặt phẳng OXY - Lốp tiếp xúc điểm với mặt bến, khơng có trượt xảy q trình chuyển động - Bỏ qua ảnh hưởng tải trọng gió, dịng chảy sóng loại (sóng tự nhiên sóng chuyển động phương tiện khác gây ra) tác dụng lên phương tiện - Phương tiện chuyển động mặt bến phẳng, bỏ qua mấp mô mặt bến ảnh hưởng dao động hệ thống treo lốp, khảo sát giai đoạn chuyển động chuyển tiếp thời điểm vào nước phương tiện 2.2.2 Mơ hình tính tốn động lực học Từ giả thiết nêu trên, mơ hình động lực học chuyển động xe bơi bánh lốp phân đoạn II1 xây dựng sau: 16 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Y x Rg W R2 F E D Pk2 Rn X Pf1 Pk1 O L Pf3 Pk3 Pf2 C G R1 R3 B A Hình Mơ hình động lực học chuyển động xe bơi bánh lốp phân đoạn II1 Đối với XBTH dạng boong hở, để đảm bảo tính khơng chìm nước tràn vào khu vực chất tải qua bề mặt boong phương tiện, phương tiện chuyển động giai đoạn chuyển tiếp thời điểm vào nước, mặt nước chạm tới điểm cao mặt boong [1] (điểm E hình 2) phương tiện phải xảy q trình quay Mơ hình tính tốn xây dựng giả thiết bỏ qua ảnh hưởng loại sóng tới q trình chuyển động phương tiện, nhiên thực tế cho thấy vật thể nói chung hay phương tiện nói riêng thực trình “xâm nhập” vào khối nước “lặng, đứng yên” gây tượng “tự tạo sóng”, làm cho mực nước dâng lên so với mực nước ban đầu Độ cao mực nước dâng quy đổi tương đương thành chiều cao sóng trung bình [1] Như vậy, vào nước diễn trình quay, phương tiện cần quãng đường giới hạn, khảo sát cụ thể tác giả xác định khoảng dịch chuyển giới hạn vào nước xgh 3,50 m (khảo sát với XBTH bánh lốp BAV, góc bến 15 độ) Giá trị sở để tác giả xác định tải trọng chuyên chở giới hạn trình chuyển động chuyển tiếp thời điểm vào nước phương tiện Từ hình 2, theo [1, 4, 5], ta có phương trình mô tả chuyển động phương tiện phân đoạn II1 sau: mx (G D)cos f (G D)sin Rn Rg (1) 17 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 đó: m = mpt + mt - khối lượng phương tiện tải chuyên chở (kg); G - trọng lượng tải trọng thân phương tiện tải chuyên chở (N); D - lực đẩy tác dụng lên phương tiện (N); Rn - lực cản nước tác dụng lên phương tiện theo phương Ox (N); Rg - lực cản gió tác dụng lên phương tiện; - góc dốc bến (độ); - hệ số bám xe bánh lốp mặt bến; f - hệ số cản lăn xe bánh lốp mặt bê tơng ướt; * Tính tốn giá trị lực D, Rnx - Lực đẩy D xác định qua cơng thức: D 0g BTx đó: - khối lượng riêng nước (kg/m3); g - gia tốc trọng trường (m/s2); S1 BT - diện tích mặt cắt ngang phương tiện khoảng khảo sát; - hệ số điền đầy thể tích tiết diện ngang; B; T - chiều rộng chiều sâu trung bình chìm nước phương tiện khoảng khảo sát (m); x - độ dịch chuyển vào nước phương tiện theo chiều trục OX (m) - Lực cản nước tác dụng lên phương tiện: Rn 0 Sv vx2 đó: - hệ số cản tổng cộng nước; S v - diện tích bề mặt nhúng nước vỏ phương tiện với nước (m2); vx x - vận tốc chuyển động vào nước phương tiện theo phương OX (m/s) Gắn với đối tượng khảo sát cụ thể XBTH bánh lốp BAV, coi biên dạng mặt cắt ngang phần vỏ phương tiện hình parabol giới hạn hai kích thước B T Khi đó, giá trị diện tích bề mặt nhúng nước vỏ phương tiện khoảng khảo sát là: B2 sin 4T Sv [ ln[tan( )]+ ] B x , với arctan( ) rad 2 2cos B 16T Theo [1, 4] vận tốc di chuyển XBTH giai đoạn có giá trị khơng lớn (thường nhỏ 15 km/h), vào giả thiết nghiên cứu nêu phần trên, q trình khảo sát ta bỏ qua giá trị lực cản gió gây ra, phương trình (1) viết lại sau: mx (G 0 g BTx)( cos fsin ) 0 18 B2 sin 16T [ ln[tan( )]+ 2cos 2 ] B xx (2) Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Đặc trưng phân đoạn II1 khảo sát cuối giai đoạn bắt đầu có q trình quay phương tiện quanh vị trí tiếp xúc bánh sau mặt bến Tại thời điểm phương tiện xảy trình quay, phản lực bến tác dụng lên phương tiện có điểm đặt bánh xe, gồm có phản lực R1 (Hình 2) có giá trị 0; đồng thời với xảy phương trình cân mơ men (so với điểm quay C, điểm tiếp xúc bánh sau xe với mặt bến) hai lực là: Lực đẩy D trọng lượng G gây ra, tức là: MG(C) = MD(C) * Xác định giá trị mô men MG(C), MD(C): - Xác định giá trị MG(C): MG(C) = G(XR23 + X3) cos (3) đó: G - trọng lượng phương tiện tải chuyên chở (N); (XR23 + X3) - cánh tay đòn G gây so với điểm C (m); - góc dốc bến (độ) Xác định giá trị cánh tay đòn G gây so với điểm quay C: Với khoảng cách X3, thực nghiệm sử dụng phần mềm hỗ trợ (Autodesk Inventor, Cad ) tác giả xác định xác giá trị khoảng cách này, cụ thể X3 = 0,62 m; Cịn lại, khoảng cách XR23 xác định qua mơ hình khảo sát tọa độ trọng tâm hình G R1 R23 XR1 XR23 X3 Hình Mơ hình khảo sát tọa độ trọng tâm xe BAV Theo [2], trường hợp xe đủ tải, phân bố tải trọng cầu trước có giá trị m1 = 2690 kg, cầu cầu sau m23 = 6960 kg Do đó, ta có phương trình cân mơ men phản lực từ mặt đường tác dụng cầu trước, cầu cầu sau là: R1XR1 R 23XR 23 (4) Mặt khác, tương tự phương pháp xác định giá trị X3 trên, tác giả xác định khoảng cách tổng cộng XR1 XR23 sau: XR1 XR 23 4,05 m (5) 19 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Từ hai phương trình (4) (5), với số liệu có [2], ta xác định giá trị XR1 XR23 là: XR1 = 2,88 m XR23 = 1,17 m Suy giá trị mô men trọng lượng G gây so với điểm C là: MG(C) = 1,79G cos (6) - Xác định giá trị MD(C): Căn vào mơ hình khảo sát hình 2, giá trị mơ men lực đẩy gây so với điểm C tính là: x (7) M D(C) 0 gS1 x(lCD )cos đó: lCD = 6,4 m khoảng cách hai điểm C, D (Hình 2) theo phương OX (xác định cách khảo sát phương tiện); x - khoảng dịch chuyển vào nước xét Từ phương trình (6) (7), ta xác định phương trình cân mơ men so với điểm quay C (tại cuối phân đoạn II1, thời điểm phương tiện bắt đầu xảy trình quay) là: x (8) 1, 79G 0 gS1 x(6, ) Giải phương trình (2) với điều kiện (8), ta xác định tham số động lực học chuyển động phân đoạn II1, nói cách khác, hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động XBTH bánh lốp BAV phân đoạn II1 có biểu thức sau: mx (G 0 g BTx)( cos fsin ) B2 sin 0 [ ln[tan( )]+ ] B xx 2 2cos 16T x 1, 79G 0 gS1 x(6, ) (9) Thông số đầu vào kết tính tốn Áp dụng mơ hình động lực học hình với đối tượng khảo sát XBTH bánh lốp BAV Theo [1, 3] ta xác định thông số đầu vào là: g = 9,81 (m/s2), mpt = 7150 kg; B = 2,2 m, T = 1,1 m, 0 1,0 103 kg/m3, 0, ; f 0,03 ; 0,7 ; 1,1 Để đánh giá ảnh hưởng tải trọng chuyên chở đến trình chuyển động vào nước phương tiện, tác giả khảo sát giai đoạn chuyển động với điều kiện sau: vận tốc vào nước v = 15 km/h chế độ tải khác bao gồm: mt = 3500 kg, mt = 5000 kg, mt = 6000 kg Kết tính tốn cụ thể sau: 20 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Hình Dịch chuyển vào nước xe BAV phân đoạn II1 điều kiện tải trọng chuyên chở khác Hình Vận tốc vào nước xe BAV phân đoạn II1 điều kiện tải trọng chuyên chở khác Hình Gia tốc vào nước xe BAV phân đoạn II1 điều kiện tải trọng chuyên chở khác Hình Lực cản nước tác dụng xe BAV phân đoạn II1 điều kiện tải trọng chuyên chở khác - Dựa kết khảo sát thể thông qua đồ thị từ hình đến hình 7, nhận thấy quy luật thay đổi tham số động lực học lực cản nước tác dụng lên phương tiện tương tự - Kết đồ thị cho thấy thời gian mà phương tiện dịch chuyển vào nước có khác nhau, ứng với tải trọng chuyên chở lớn thời gian dịch chuyển lớn; kèm với khoảng cách dịch chuyển vào nước phương tiện có tương ứng 21 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 - Kết nghiên cứu hình cho ta biết khoảng dịch chuyển vào nước ứng với tải định mức mt = 3500 kg (theo [3]) có giá trị xa 2,8 m, khoảng dịch chuyển nhỏ giá trị khoảng cách vào nước giới hạn để bảo đảm điều kiện khơng chìm xa ( gh ) 3,50 m, kết luận ứng với tải định mức đưa trình vào nước phương tiện bảo đảm - Cũng kết thể hình 4, ứng với tải trọng chuyên chở mt = 5000 kg, khoảng cách dịch chuyển vào nước phân đoạn II1 có giá trị xt 3,5 m, phương tiện bảo đảm điều kiện vào nước, điều phù hợp với kết luận có [1], thể hệ số độ dự trữ phương tiện Kd 35% Ngược lại, ứng với tải trọng chuyên chở mt = 6000 kg, khoảng cách dịch chuyển vào nước phân đoạn II1 có giá trị xt 4, m, giá trị lớn giá trị vào nước giới hạn phân tích trên, phương tiện bị nước tràn vào qua bề mặt boong từ gây an tồn Kết luận Bài báo xây dựng mơ hình tính tốn động lực học chuyển động XBTH bánh lốp giai đoạn chuyển động chuyển tiếp thời điểm vào nước Từ cho phép xác định ảnh hưởng tải trọng chuyên chở xe BAV giai đoạn chuyển tiếp trình bày Kết giá trị tải trọng chun chở định mức nhằm bảo đảm tính khơng chìm xác định giá trị hệ số độ dự trữ phương tiện Đây sở khoa học để đưa khuyến cáo nhằm nâng cao hiệu khai thác đơn vị sử dụng XBTH BAV Tài liệu tham khảo Nguyễn Viết Tân (2011) Xe máy vượt sông Nxb Quân đội Nhân dân Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9859:2013 (ISO 2795:1991) Bến phà, bến cầu phao đường - Yêu cầu thiết kế Chu Văn Đạt, Nguyễn Viết Tân, Lương Khánh Tình (2003) Sổ tay tính chiến kỹ thuật xe máy công binh Học viện KTQS Analysis of the process of water entry of an amphibious vehicle, Gdynia Maritime University, Ship Design and Research Centre, Context Office Малахов Дмитрий Юрьевич (2009) Разработка методики оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону 22 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 ESTIMATION OF THE LIMITED LOAD FOR WHEELED AMPHIBIOUS VEHICLES IN THE TRANSITION PERIOD Abstract: The paper provides a method for building a dynamic model and investigates a motion of the amphibious vehicle in the transition period The research is conducted from the time that vehicle starts come into contact with the water environment until the wheels of front axle separated from the ramp angle (slope), in conditions of the ramp angle of less than 15 degrees and the vehicle’s velocity of not more than 20 km/h The result allows to determine the maximum distance moving on the ramp angle that vehicle can perform to ensure not submerged conditions, then the limited load can be determined Keywords: Limited load; wheeled amphibious vehicle; motion dynamics; transition period; water entry process Ngày nhận bài: 14/3/2019; Ngày nhận sửa lần cuối: 20/8/2019; Ngày duyệt đăng: 28/8/2019 23