Công nghiệp rừng 103TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4 2016 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XUỒNG CHỮA CHÁY RỪNG TRÀM KHI QUAY VÒNG Dương Văn Tài1, Nguyễn Thái Vân2 1Trường Đại học Lâm Nghiệp 2Trư[.]
Cơng nghiệp rừng MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XUỒNG CHỮA CHÁY RỪNG TRÀM KHI QUAY VÒNG Dương Văn Tài1, Nguyễn Thái Vân2 Trường Đại học Lâm Nghiệp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long TÓM TẮT Xuồng chữa cháy rừng Tràm chuyển động quay vịng rẽ sang kênh vng góc chịu tác động nhiều ngoại lực dẫn đến xuồng bị ổn định (lật) Bài báo giới thiệu kết xây dựng phương trình động lực học xuồng quay vịng, rẽ sang kênh vng góc Kết thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động quay vịng bao gồm: biểu thức động hệ, hệ, biểu thức lực suy rộng hệ Từ hệ phương trình vi phân lập được, làm sở khoa học cho việc xác định thông số hợp lý xuồng đáp ứng yêu cầu ổn định quay vịng Từ khóa: Động lực học, rừng Tràm, xuồng chữa cháy I ĐẶT VẤN ĐỀ Ở Việt Nam hàng năm xảy hàng chục vụ cháy rừng Tràm, làm hàng trăm rừng Tràm, thiệt hại kinh tế hàng trăn tỷ đồng, ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái Hiện thiết bị chữa cháy rừng tràm hạn chế, chủ yếu dùng máy bơm nước cố định nên hiệu chữa cháy rừng thấp Phương pháp chữa cháy rừng hiệu sử dụng xuồng chữa cháy chuyên dùng để nhanh chóng tiếp cận đám cháy phun nước dập lửa, từ việc lập khống chế đám cháy nhanh chóng hiệu Đề tài trọng điểm cấp nhà nước "Nghiên cứu công nghệ thiết kế chế tạo thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng", thiết kế chế tạo xuồng chữa cháy rừng tràm, xuồng có đặt máy bơm nước chuyên dùng chữa cháy Kết thực nghiệm cho thấy suất hiệu chữa cháy cao thiết bị có Tuy nhiên xuồng chữa cháy rừng tràm cịn số tồn là: khả ổn định xuồng quay vòng, rẽ vào kênh vng góc Vì việc nghiên cứu động lực học quay vòng xuồng chữa cháy rừng tràm để đưa giải pháp nâng cao tính ổn định chống lật xuồng cần thiết Kết nghiên cứu ứng dụng để thiết kế chế tạo hoàn thiện xuồng chữa cháy rừng Tràm II ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng thiết bị nghiên cứu Đối tượng nguyên cứu xuồng chữa cháy rừng Tràm đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo sử dụng Vườn Quốc gia U Minh Thượng tỉnh Kiên Giang 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng áp dụng lý thuyết học hệ nhiều vật, lý thuyết tàu thủy để thiết lập mơ hình động lực học hệ phương trình vi phân động lực học quay vịng III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mơ hình học chuyển động quay vịng xuồng chữa cháy rừng Quan sát thực tế ta thấy xuồng chữa cháy rừng quay vịng, chuyển động mặt phẳng nằm ngang, có phần tử coi vật rắn có chuyển động tương đối với Đó thân xuồng, bánh lái trục chân vịt đẩy hình Trong bánh lái xoay góc θ30 so với vị trí ban đầu Do áp lực nước tác dụng vng góc với bề mặt bánh lái, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 103 Công nghiệp rừng nên tạo mômen làm quay thân xuồng quanh trục O1y1, O1x1 dịch chuyển theo phương Oz1 Các chế độ chuyển động thay đổi tùy thuộc vào giá trị θ30 khác Trong trạng thái có hệ gồm vật rắn chuyển động thân xuồng (O1), trục chân vịt (O2), bánh lái (O3) Để lập mơ hình học ta cơng nhận số giả thiết sau: - Các trục chân vịt, trục bánh lái gắn chặt với thân xuồng, chúng có chuyển động quay tương đối quanh trục đó; - Bánh lái cố định vị trí với góc lệch = ; - Trục chân vịt quay với vận tốc góc = ̇ = khơng đổi ; - Lực cản môi trường nước dịch chuyển thu tâm miền tiếp xúc nước với thân xuồng bánh lái, có độ lớn tỉ lệ với bình phương vận tốc diện tích cản trực diện - theo định luật sức cản khí động học Theo giả thiết ta có mơ hình học biểu diễn hình hình Các ký hiệu hình hình 2: - O0x0y0: hệ trục cố định (qn tính); - O1x1y1: hệ trục động (gắn với khối tâm thân xuồng O1); - O1 , O2 , O3: Tọa độ khối tâm thân xuồng, trục chân vịt trục bánh lái; - θ30 : góc xoay tương đối trục bánh lái, góc mặt bánh lái với O1x1; - θ1: góc xoay thân xuồng quanh trục thẳng đứngO1y1; - 1: góc xoay thân xuồng quanh trục dọc O1x1 - L2, h2, L3, h3 – khoảng cách theo phương ngang thẳng đứng từ O1 đến O2 O3: Hình Mơ hình dịch chuyển xuồng CCR mặt phẳng nằm ngang Hình Sơ đồ xác định lực tác dụng lên xuồng chữa cháy quay vòng Gọi lực đặt vào lái ⃗ , có cường độ là: = (1) Trong đó: - k: hệ số phụ thuộc vào nước; - Sn: diện tích bề mặt bánh lái; 104 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 Cơng nghiệp rừng - vn: vận tốc trực diện nước mặt lái: - v = (ẋ + v ) sin với ̇ : vận tốc tịnh tiến thân xuồng theo phương x : vận tốc tịnh tiến dòng nước chân vịt đẩy, vc= 3,45 m/s Thu gọn lực F tâm O1, ta thành phần lực Fx, Fz mô men Mx, My hình Trong đó: = sin = cos =0 =ℎ = =ℎ = = =ℎ = =ℎ sin cos cos sin sin (2) (3) Khi xuồng quay vòng áp lực nước lên mạn xuồng phân bố không đều, thường có dạng hình tam giác hình 3, nên gây mơ men cản quay Mby Hình Sơ đồ xác định thông số động học lực cản xuồng quay vịng Lực mơ men cản có giá trị phụ thuộc chiều dài đoạn tiếp nước vận tốc góc quay ̇ = ̇ − − = ̇ = ̇ (4) Trong đó: RbF - Là hệ số cản quay vòng R + ) sin = = = (5) - ST: diện tích phần thành xuồng tiếp xúc với nước phía trước; - SS : diện tích phần thành xuồng tiếp xúc với nước phía sau; - aT khoảng cách từ tâm tiết diện ST tới trọng tâm thân xuồng; - aS: khoảng cách từ tâm tiết diện Ss tới trọng tâm thân xuồng; - Các hệ số RbF RbMy xác định thông qua nghiên cứu thực nghiệm trường Lực cản bên Fb có hai thành phần theo trục Ox Oz là: ̇ sin ̇ (6a) (6b) Tương tự xuồng xoay quanh trục dọc (nghiêng ngang) có mơ men cản Mbx với hệ số cản nghiêng Rbx = = (k S a − k S a ) =( = ̇ (7) 3.2 Lập phương trình vi phân chuyển động quay vòng xuồng chữa cháy Khi chuyển động quay vịng bánh lái giữ vị trí có góc lệch = , nên hệ gồm vật rắn thân xuồng bánh lái trục chân vịt hình Gọi khối lượng thân xuồng trục chân vịt m1 m2, mô men quán tính khối lượng chúng trục tương ứng I1x, I1y, I1z I2.Trong mặt phẳng nằm ngang hệ có thơng số định vị dịch chuyển dài ( , ) dịch chuyển góc ( , ) xoay quanh trục Ox Oy, (i=1, 2) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 105 Cơng nghiệp rừng 0 sin 0 = 0 − ℎ cos Véc tơ vận tốc góc khâu Trong trục chân vịt có chuyển động tương đối, quay quanh ổ trục gắn với thân xuồng với góc φ2 Theo hình ta có liên kết sau: = = = − −ℎ (11) ̇ = (8) h = a sin α đặt: L = a cos α ; Vậy hệ có bậc tự do, ta chọn tọa độ suy rông đủ cho hệ : q(x1, z1, 1, 1, 2) (9) Véc tơ tọa độ khối tâm khâu (gồm thân xuồng thiết bị gắn cứng đó), tọa độ khối tâm khâu (gồm trục chân vịt chân vịt): = ̇ ; ̇ + ̇ cos ̇ − ̇ sin Trong đó, = 0 = (12) Ở ̇ α0 vận tốc góc quay trục chân vịt góc hợp O1O2 với O1 x1 Các ma trận Jacobi quay = ; ̇ 0 = 0 1 0 0; 0 0 − cos = (13) 0 0 − sin ̇ 0 0 Các ma trận mô men quán tính khối lượng = − = cos = (10) = 0 − ℎ sin Từ (10) ta tính ma trận Jacobi tịnh tiến: 0 = 0 0 0 0 0; 0 0 0 0 = 0 0 0 0 0 0 0; 0 0 (14) Tính ma trận khối lượng: = ⎡ ⎢ M= ⎢ ⎢ ⎣ ( + + ) 0 sin + ( + ) − ℎ cos 0 *Động hệ: = ̇ ( + − ℎ cos + + ℎ cos − cos (15) ) ( sin 0 + + ℎ cos − sin ) ̇ (m1 m2 ) x12 (2m2 L2 sin 1 ) x11 (m1 m2 ) z1 (2m2 h0 cos ) z1 1 T (m2 h02 cos2 I1X I ) 12 (2I cos 20 ) 1 (m2 L22 sin 1 I1Y I )12 (2I sin 20 )1 I 2 106 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 0 sin − sin ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ (16) (17) Công nghiệp rừng * Thế hệ Thế lực trọng trường với gốc tọa độ vị trí cân nằm ngang, ta có: ( )= + =0 * Lực suy rộng hệ Các ngoại lực tác dụng xuồng chuyển động quay vòng mặt nước lực cản nước đặt tâm miền tiếp xúc nước với thân xuồng lực vị trí tâm bánh lái O3 Chúng xác định theo biểu thức (4)÷ (6a), (6b) Để xác định thành phần lực suy rộng, ta tìm biểu thức cơng ngun tố di chuyển hệ: A (XC FbX FX ).x1 (FZ FbZ).z1 (MX MbX ).1 (MY MbY).1 Mđc2 Các di chuyển x1 , z1 , y1 , , 1 , 2 Q *X X C FbX F X ; Q* M X M bX ; Q*1 M Y M bY ; trục chân vịt ( ̇ ) xác định ⎧ ⎪ độc lập, ta nhận được: Q Z* Z C FZ FbZ ; Trong đó: - XC: thành phần lực đẩy chân vịt (Xq) theo phương Ox; - ZC: thành phần lực đẩy chân vịt (Xq) theo phương Oz; Giá trị Xq phụ thuộc tốc độ quay (18) (19) Q * M đc thực nghiệm; - Các thành phần FX, FZ, MX, MY FbX, FbZ, MbX, MbY xác định theo (3) ÷ (7); Thế biểu thức vào phương trình Lagranger loại II ta phương trình vi phân chuyển động quay vòng xuồng chữa cháy rừng mặt phẳng nằm ngang: ( m m ) x1 ( m L sin ).1 ( m L cos ) 12 Q *X ; ( m m ) z1 ( m h cos ).1 ( m h sin ). 12 Q Z* ; (20) (m2h02 cos2 1 I1X I2 ).1 (m2h0 cos1)z1 Q*1 ⎨ ⎪ ⎩ (m2 L22.sin2 1 I1Z I ).1 (m2 L2 sin1).x1 Q*1 Sau đưa biểu thức Q*X1, Q*Z1, Q*Ψ1, Q*θ1,Q*φ2 vào (20), ta có hệ phương trình (21) sau: từ (8), biểu thức từ (3)÷(7) ̇ sin cos + ( ℎ sin ) ̇ + ( + ) ̈ + ( ℎ cos ) ̈ + ̇ sin cos + ( ℎ sin ) ̇ + ( ℎ cos + + ) ̈ +( ℎ cos ) ̈ − ℎ ̇ sin cos + ̈ cos + + +( sin ) ̈ − ̇ sin Nhận xét: - Mơ hình chuyển động quay vòng xuồng chữa cháy rừng hệ có vật rắn di chuyển mặt phẳng nằm ngang biểu diễn hình với sơ đồ lực tác dụng + ̇ cos =0 ̇ cos =0 ̇ =0 ̇ =0 (21a) (21b) (21c) (21d) quan hệ động học hình - Phương trình vi phân chuyển động quay vịng xuồng (21) hệ phương trình vi phân phi tuyến, khơng có hệ số phụ thuộc vào thơng số kết cấu bao gồm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 107 Cơng nghiệp rừng điện tích mặt cắt ngang Sn, chiều cao tọa độ tâm h0 h3, khoảng cách mặt phẳng nằm ngang từ tọa độ tâm xuồng đến tâm trục chân vịt tâm bánh lái L2, L3 đại lượng động lực học hệ bao gồm vận tốc chuyển động xuồng, góc đánh lái - Để có sở cải tiến kết cấu cho xuồng xác định chế độ quay vòng hợp lý phải tiến hành khảo sát hệ phương trình động lực học lập trên, việc khảo sát hệ phương trình vi phân (21) theo phương pháp số sử dụng phần mềm chuyên dùng IV KẾT LUẬN Từ cấu tạo nguyên lý làm việc xuồng chữa cháy rừng tràm, xây dựng mơ hình động lực học quay vịng, từ thiết lập phương trình vi phân chuyển động quay vòng gồm: biểu thức động hệ, biểu thức hàm hao tán biểu thức lực suy rộng hệ Những kết nghiên cứu áp dụng tính tốn thiết kế hoàn thiện xuồng chữa cháy rừng Tràm TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Khang (2007) Cơ học hệ nhiều vật Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Lê Thanh Tùng, Lương Ngọc Lợi Lý thuyết tàu thủy Nxb Bách Khoa – Hà Nội Dương Văn Tài (2010) Báo cáo kết 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 Cục thông tin khoa học & công nghệ quốc gia, Hà Nội MODEDLING DYNAMIC OF CURVE MOTION OF SPECISL BOAT FOR FIRE FIGHTING IN WETLAND FOREST Duong Van Tai, Nguyen Thai Van SUMMARY When boat operates in state of curve motion, it is affected by many external forces that can cause the boat lost stability (flip) This paper introduces the results of establishing motion dynamics equations of boat in this state The result establishes dynamics equations include: kinetic energy, potential energy, generalized force Base the differential equations is established, it is the scientific basis for determining the reasonable parameters in order response to the stability requirements in state curve motion of the boat Keywords: Dynamics, fire boat, wetland forest Người phản biện Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng 108 : GS.TS Phạm Văn Lang : 22/6/2016 : 15/7/2016 : 25/7/2016 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 ... việc xuồng chữa cháy rừng tràm, xây dựng mơ hình động lực học quay vịng, từ thiết lập phương trình vi phân chuyển động quay vịng gồm: biểu thức động hệ, biểu thức hàm hao tán biểu thức lực suy... dạng hình tam giác hình 3, nên gây mơ men cản quay Mby Hình Sơ đồ xác định thông số động học lực cản xuồng quay vịng Lực mơ men cản có giá trị phụ thuộc chiều dài đoạn tiếp nước vận tốc góc quay. .. ngang thẳng đứng từ O1 đến O2 O3: Hình Mơ hình dịch chuyển xuồng CCR mặt phẳng nằm ngang Hình Sơ đồ xác định lực tác dụng lên xuồng chữa cháy quay vòng Gọi lực đặt vào lái ⃗ , có cường độ là: