Công nghiệp rừng 94 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 2017 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG KHI XUỒNG VỪA CHUYỂN ĐỘNG VỪA PHUN NƯỚC CHỮA CHÁY RỪNG TRÀM Nguyễn Th[.]
Công nghiệp rừng KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG KHI XUỒNG VỪA CHUYỂN ĐỘNG VỪA PHUN NƯỚC CHỮA CHÁY RỪNG TRÀM Nguyễn Thái Vân1, Dương Văn Tài2, Nguyễn Quang Tuyến3 1,3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Trường Đại học Lâm nghiệp TÓM TẮT Bài báo giới thiệu kết khảo sát phương trình vi phân động lực học ổn định hướng chuyển động xuồng vừa chạy vừa phun nước chữa cháy rừng, từ xác định yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hướng chuyển động xuồng Từ trình hoạt động thực tế xuồng, chúng tơi tiến hành xây dựng mơ hình động lực học, thiết lập hệ phương trình vi phân ổn định hướng chuyển động Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hướng chuyển động xuồng Từ khóa: Mơ hình động lực học, ổn định hướng chuyển động, rừng tràm, xuồng chữa cháy rừng 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 trăm 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: dễ bị ổn định hướng vừa chuyển động vừa phun nước chữa cháy rừng Để tìm thơng số kỹ thuật chế độ sử dụng để xuồng giữ hướng chuyển động vừa chuyển động vừa phun nước chữa cháy 94 rừng, đồng thời khắc phục tồn nêu cần tiến hành khảo sát tìm quy luật ảnh hưởng yếu tố đến động lực học ổn định hướng xuồng Từ kết khảo sát thu sở khoa học để đưa giải pháp kỹ thuật để 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 mô hình động lực học hệ phương trình vi phân động lực học ổn định hướng chuyển động Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hướng chuyển động xuồng, để từ rút kết luận cần thiết III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, THẢO LUẬN 3.1 Mơ hình động lực học ổn định hướng chuyển động xuồng chữa cháy rừng tràm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2017 Cơng nghiệp rừng a) Mơ hình động lực học ổn định hướng chuyển động xuồng Từ cấu tạo nguyên lý hoạt động thực tế xuồng chữa cháy rừng tràm, chúng tơi tiến hành xây dựng mơ hình động lực học ổn định hướng chuyển động xuồng kênh thẳng vừa chuyển động vừa phun nước chữa cháy rừng hình Hình Sơ đồ lực tác dụng lên xuồng mặt phẳng đứng dọc XOY xuồng vừa di chuyển vừa phun nước chữa cháy Hình Sơ đồ lực tác dụng lên xuồng mặt phẳng nằm ngang XOZ xuồng vừa di chuyển vừa phun nước chữa cháy Các ký hiệu hình 2: ≡ - trọng tâm xuồng chữa cháy rừng tràm; - tâm hệ trục chân vịt; - điểm đặt lực cản chuyển động tổng hợp xuồng; - tâm chân vịt; - lực cản chuyển động tổng hợp theo phương ; - lực cản chuyển động tổng hợp theo phương ; - lực đẩy (phản lực) chân vịt theo phương ; - lực đẩy (phản lực) chân vịt theo phương ; - lực vòi phun nước chữa cháy rừng tràm; , - lực vòi phun nước chữa cháy rừng tràm theo phương OX OZ; , - góc lệch hướng vịi phun nước chữa cháy so với trục dọc ( ) trục ngang ( ) thân xuồng 3.2 Hệ phương trình vi phân ổn định chuyển động xuồng chữa cháy rừng tràm Trong trường hợp tổng quát ta giả thiết vòi phun có phương tùy ý khơng gian, lập với trục tọa độ xuồng góc βx, βy, βz hình hình Các thành phần lực theo trục: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2017 95 Cơng nghiệp rừng = sin sin = cos (1) Vì trục chân vịt gắn chặt với thân xuồng nên góc quay quanh trục OX, OY OZ góc quay thân xuồng: = ; = ; = Vậy hệ có tọa độ suy rộng (do có hai liên kết) nên ta chọn tọa độ suy rộng: ( , , , , , ) Trong đó: , , - tọa độ trọng tâm xuồng; φ1, 1, - góc quay thân xuồng quanh trục OZ, OY OX Các ngoại lực tác dụng khơng xuồng chuyển động mặt nước trường hợp lực cản XA, YA, XC, YC, XD, YD (2) = sin cos Theo sơ đồ hình hình xuồng hệ có hai vật rắn chuyển động không gian, nên số thông số xác định vị trí hệ cố định O0X0Y0Z0 x = 12, có phương trình liên kết: = − cos( + ) = − sin( + ) = + cos( + ) sin (3) Trong đó: a0 - khoảng cách O1O2; - góc hợp trục với đường thẳng ; - khoảng cách O1D; - góc lệch hướng chuyển động xuồng so với phương ban đầu xuồng phun nước chữa cháy Khi xuồng quay góc quanh trục trục quay góc tương ứng nên dịch chuyển với hệ cố định = cos (hình 1) = − + = = đ = = = = = = đ M gọn tâm O1 tâm trục chân vịt, có giá trị xác định thực nghiệm Trong đó: A(xA, yA), C(xC, yC) D(xD, yD) tọa độ điểm hệ động gắn với khối tâm xuồng (O1X1Y1) hình hình Các lực thu gọn khối tâm thân xuồng tâm trục chân vịt lực chúng mô men: cos ; = sin = cos ; = sin = − + - Mô men MO1 xác định: = sin 96 − + − / ̇ (4) Trong đó: Mđc – mơ men truyền từ động đến trục chân vịt; i – tỉ số truyền hộp giảm tốc = cos ; = sin ; = , MC mô men lực thu - Xác định thành phần lực suy rộng khơng có thế: Biểu thức cơng nguyên tố di chuyển hệ: (5) − − − − cos sin + − + sin cos + + + cos TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2017 (6) (7) Cơng nghiệp rừng Thay giá trị vào (6), được: =( − − ) +( (1 − ) + X a (sin − 1) − +[ − cos + − + cos ) − cos (1 + cos ] + ) + + − Từ (8), nhận lực suy rộng tương ứng: ∗ =( − − ); ∗ (1 − =[ ) + X a (sin cos ∗ =( − ∗ = = − 1) − (8) cos − + )− cos + (9) ] + ); / ̇ Theo ngun lý cộng tác dụng có lực cản (phản lực) tác dụng vào vòi phun trường hợp xuồng vừa chuyển động vừa phun ( (1 + cos ) ̈ = ̈ = Trong đó: = − = − sin = nước vào đám cháy có hai phương trình chuyển động theo phương ngang OZ quay quanh trục thẳng đứng OY: cos − sin cos (10) cos − (11) - mô men cản quay thân xuồng quanh trục Oy Khi xuồng quay quanh trục Oy, áp lực nước tác dụng lên mạn xuồng phân bố khơng đều, thường có dạng hình tam giác hình 3b, nên gây mô men cản quay Mcy - lực cản nước tác dụng vào thân xuồng theo phương ngang; I1 - mơ men qn tính xuồng; I2 - mơ men qn tính trục chân vịt cấu dẫn động nó; Hình Sơ đồ động học xác định lực cản xuồng quay quanh trục Oy vận tốc góc quay ̇ Lực mơ men cản có giá trị phụ thuộc chiều dài đoạn tiếp nước hai bên mạn xuồng = − = ̇ − = + Với =( Trong đó: = − )và ̇ = ̇ + =( ̇ (12) ̇ = + ̇ (13) ) (14) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2017 97 Cơng nghiệp rừng phía bên mạn sau xuồng; - lực cản quay xuồng nước gây phía bên mạn trước xuồng Thế vào phương trình Lagrange II phương trình thu hệ gồm sáu phương trình vi phân biểu diễn chuyển động xuồng vừa di chuyển vừa phun nước chữa cháy thể hệ phương trình (15) Khi xuồng vừa di chuyển chậm vừa phun nước chữa cháy có phương trình , - hệ số cản quay nước xuồng; Scqt - diện tích phần thành xuồng tiếp xúc với nước gây cản phía trước; Scqs - diện tích phần thành xuồng tiếp xúc với nước gây cản phía sau; aT - khoảng cách từ tâm tiết diện Scqt đến trọng tâm thân xuồng; aS - khoảng cách từ tâm tiết diện Scqs đến trọng tâm thân xuồng; - lực cản quay xuồng nước gây ( ) ̈ + + ( ( + ) ̈ − + −( ( + ) ̇ ̇ +2 ( (1 + cos + ( sin ( − + ) ̇ = ) ̈ − cos( + ) ̈ + 2a + ) ̇ (1 − ̇ = cos ( cos − ( + )− ) ̇ = ) ̈ + sin ) + X a (sin + cos ̈ = ̈ = + − + ) + ) ̈ + sin( ) ̈ + + ) ̈ = cos − Nhận xét: Hệ phương trình vi phân − 1) − +2 sin( + cos − + ) (15) / ̇ đ sin cos( + cos − = ̇ + ̇ (XA, YA, XC, YC, XD, YD , Fvp Nđc) xuồng vừa chuyển động thẳng vừa phun nước Để đánh giá khả ổn định hướng chữa cháy hệ phương trình vi phân phi tuyến chuyển động xuồng vừa di chuyển vừa khơng có hệ số phụ thuộc phun nước chữa cháy, cần phải tiến hành khảo vào thông số kết cấu hệ khối lượng sát hệ phương trình vi phân theo điều (m1, m2), kích thước hình học (ai, xi) mô kiện khác kết cấu xuồng lực tác men qn tính (Ii), góc dụng vịi phun, góc đặt vịi phun, vận tốc (góc lệch đường tâm trục chân vịt với trọng tâm của xuồng xuồng so với phương OX mặt phẳng 3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến ổn đứng dọc), góc lệch định hướng chuyển động xuồng vòi phun nước chữa cháy so với phương chuyển động OX mặt phẳng nằm ngang Vế phải phụ thuộc vào lực: lực cản nước gây ra, lực đẩy chân vịt, lực vòi 3.3.1 Sơ đồ mơ hệ phương trình vi phân Từ hệ phương trình vi phân (1), lập được, lập sơ đồ mơ hệ phương trình vi phân ổn định hướng chuyển động hình phun nước chữa cháy cơng suất động 98 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2017 Cơng nghiệp rừng Hình Sơ đồ mơ khảo sát ổn định hướng chuyển động xuồng chữa cháy 3.3.2 Kết khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hướng chuyển động xuồng Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô khảo sát ảnh hưởng lực cản, góc đặt trục chân vịt góc nâng thân xuồng đến vận tốc chuyển động xuồng theo sơ đồ mơ hình Các thơng số đầu vào mơ hình lấy theo kết nghiên cứu thực nghiệm theo thông số kỹ thuật xuồng a) Ảnh hưởng góc đặt vòi phun nước chữa cháy đến ổn định hướng chuyển động Bài toán khảo sát tiến hành sau: thay đổi góc đặt vịi phun nước chữa cháy theo phương chuyển động xuồng βx, góc đặt vịi phun theo phương thẳng đứng βy = 45 độ, vận tốc xuồng cố định v = km/h, khoảng cách đặt vòi phun cách tọa độ trọng tâm xuồng khoảng a3 = 1,5 m phía trục lái, thơng số đầu góc lệch hướng chuyển động xuồng Kết khảo sát thể hình Goc lech huong (Do) 30 25 20 15 10 15 20 25 30 35 40 Goc phun nuoc chua chay (Do) 45 50 Hình Khảo sát ảnh hưởng góc đặt vịi phun nước chữa cháy đến ổn định hướng chuyển động TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2017 99 Cơng nghiệp rừng Nhận xét: Góc đặt vịi phun nước chữa cháy β lớn góc lệch hướng chuyển động Goc lech huong (Do) xuồng lớn Để đảm bảo hiệu chữa cháy xuồng hoạt động kênh có bề rộng từ m đến m không bị đâm vào bờ vận tốc v < km/h, xuồng cần phải ổn định hướng chuyển động với góc θ < 20 độ góc đặt vịi phun βx ≤ 45 độ b) Ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun nước chữa cháy đến ổn định hướng chuyển động xuồng phun nước chữa cháy Bài toán khảo sát tiến hành sau: thay đổi khoảng cách vị trí đặt vịi phun nước chữa cháy so với tọa độ trọng tâm xuồng trục dọc phía bánh lái, vận tốc xuồng cố định v = km/h, góc phun nước chữa cháy theo phương chuyển động OX βx = 45 độ, thông số đầu góc lệch hướng chuyển động theo phương OX xuồng Kết khảo sát thể hình 50 45 40 35 30 25 20 15 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Vi tri dat voi phun (m) 1.4 1.6 Hình Khảo sát ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun nước chữa cháy đến ổn định hướng chuyển động Nhận xét: Vị trí đặt vịi phun nước chữa cháy gần trục lái, phun nước chữa cháy xuồng ổn định hướng chuyển động Căn vào điều kiện kết cấu xuồng, vị trí thích hợp đặt vòi phun nước chữa cháy cách trọng tâm xuồng 1,5 m phía trục lái (cách trục lái 0,58 m) c) Ảnh hưởng vận tốc chuyển động xuồng đến ổn định hướng chuyển động xuồng phun nước chữa cháy Bài toán khảo sát tiến hành sau: thay đổi vận tốc xuồng, góc đặt vịi phun cố định βx = 45 độ, khoảng cách a3 = 1,5 m, đầu góc lệch hướng chuyển động xuồng Kết khảo sát thể hình Goc lech huong (Do) 30 25 20 15 10 0 Van toc (km/h) 10 Hình Khảo sát ảnh hưởng vận tốc xuồng đến ổn định hướng chuyển động Nhận xét: Vận tốc xuồng lớn góc lệch hướng chuyển động xuồng 100 nhỏ Căn vào yêu cầu chữa cháy vận tốc xuồng ≤ , với vận tốc xuồng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2017 ... ổn định hướng chuyển động với góc θ < 20 độ góc đặt vịi phun βx ≤ 45 độ b) Ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun nước chữa cháy đến ổn định hướng chuyển động xuồng phun nước chữa cháy Bài toán khảo sát. .. vịi phun nước chữa cháy cách trọng tâm xuồng 1,5 m phía trục lái (cách trục lái 0,58 m) c) Ảnh hưởng vận tốc chuyển động xuồng đến ổn định hướng chuyển động xuồng phun nước chữa cháy Bài toán khảo. .. Hình Khảo sát ảnh hưởng vận tốc xuồng đến ổn định hướng chuyển động Nhận xét: Vận tốc xuồng lớn góc lệch hướng chuyển động xuồng 100 nhỏ Căn vào yêu cầu chữa cháy vận tốc xuồng ≤ , với vận tốc xuồng