Công nghiệp rừng 116 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4 2016 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG VÀ ỔN ĐỊNH KHI QUAY VÒNG CỦA XUỒNG CHỮA CHÁY RỪNG TRÀM Nguyễn Thái Vân1, Dương Văn[.]
Công nghiệp rừng KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG VÀ ỔN ĐỊNH KHI QUAY VÒNG CỦA XUỒNG CHỮA CHÁY RỪNG TRÀM Nguyễn Thái Vân1, Dương Văn Tài2 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 chuyển động thẳng quay vòng để xác định yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc, ổn định hướng chuyển động chống lật 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 chuyển động thẳng quay vòng Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc, ổn định hướng chuyển động chống lật xuồng Từ khóa: Động lực học, rừng Tràm, xuồng chữa cháy I ĐẶT VẤN ĐỀ Ở Việt nam hàng năm xẩy 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 số tồn là:khả ổn định xuồng quay vịng, rẽ vào kênh vng góc Để tìm giải pháp hạn chế ảnh hưởng xấu yếu tố đến khả chuyển động ổn định xuồng, đồng thời khắc phục tồn nêu cần tiến hành khảo sát tìm qui luật ảnh hưởng yếu tố đến động lực học chuyển động xuồng Trên sở kết 116 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 hiên 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 vòng Sử dụng phần mềm Matlab Simulink 7.7 để mô khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến ổn định chuyển động xuồng, để từ rút kết luận cần thiết III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, THẢO LUẬN 3.1 Mơ hình động lực học xuồng chữa cháy rừng tràm a) Mơ hình động lực học chuyển động thẳng xuồng Từ cấu tạo nguyên lý hoạt động thực tế xuồng chữa cháy rừng tràm, tiến hành xây dựng mơ hình động lực học chuyển động xuồng kênh thẳng hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 Cơng nghiệp rừng Hình Mơ hình chuyển động thẳng xuồng chữa cháy rừng tràm b) Mơ hình động lực học quay vòng xuồng Từ hoạt động thực tế xuồng quay vịng rẽ vào kênh vng góc, chúng tơi xây dựng mơ hình động lực học xuồng quay vịng thể hình Hình Mơ hình động lực học quay vịng xuồng chữa cháy rừng tràm 3.2 Hệ phương trình vi phân chuyển động xuồng chữa cháy rừng tràm Từ mơ hình lập trên, sau tính biểu thức động năng, năng, hàm hao tán hệ, ta thay giá trị động năng, năng, hàm hao tán vào phương trình vi phân động lực học hệ viết theo tọa độ suy rộng lập từ phương trình Lagrange loại II a) Hệ phương trình vi phân chuyển động thẳng ( 1) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 117 Công nghiệp rừng b) Hệ phương trình vi phân chuyển động quay vịng + + ( 2) + 3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến động lực học chuyển động xuồng 3.3.1 Sơ đồ mơ hệ phương trình vi phân Từ hệ phương trình vi phân (1), (2) lập được, lập sơ đồ mô xuồng hình Hình Sơ đồ mơ khảo sát chuyển động xuồng chữa cháy 3.3.2 Kết khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến động lực học 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 118 nghiệm theo thông số kỹ thuật xuồng 3.3.2.1 Ảnh hưởng lực cản đến vận tốc xuồng Trong trình hoạt động, lực cản làm cho vận tốc xuồng bị ảnh hưởng lớn, để xác định ảnh hưởng lực cản đến vận tốc xuồng khảo sát phương trình vi phân chuyển động xuồng Kết khảo sát thể hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 Cơng nghiệp rừng 12 Van toc [km/h] 10 700 800 900 1000 1100 1200 Luc can [DaN] Hình Vận tốc xuồng ứng với giá trị lực cản khác Nhận xét: Lực cản lớn vận tốc xuồng thấp, lực cản tổng hợp nhiều yếu tố gây nên, đặc biệt chướng ngại vật kênh (bèo tây) biên dạng mũi xuồng Để nâng cao vận tốc xuồng, giải pháp phải giảm lực cản 3.3.2.2 Ảnh hưởng góc đặt chân vịt đến vận tốc xuồng Vận tốc xuồng phụ thuộc vào lực đẩy chân vịt tạo ra, lực phụ thuộc vào góc đặt chân vịt, cơng suất động cơ, thơng số kỹ thuật chân vịt Góc đặt chân vịt ảnh hưởng phân tán lực đẩy chân vịt tạo ra,làm vận tốc chuyển xuồng bị ảnh hưởng, đồng thời góc đặt chân vịt cịn có tác dụng nâng mũi xuồng lên, từ giảm lực cản Để khảo sát ảnh hưởng góc đặt chân vịt đến vân tốc xuồng, tiến hành khảo sát đầu vận tốc xuồng ứng với góc đặt trục chân vịt khác Kết khảo sát thể hình 14 Van toc [km/h] 12 10 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Goc dat chan vit [Do] Hình Vận tốc xuồng ứng với góc đặt trục chân vịt khác Nhận xét: Quan hệ góc đặt chân vịt với vận tốc xuồng hàm phi tuyến, góc đặt trục chân vịt tăng từ 15 độ đến 20 độ vận tốc tăng lên, góc dặt trục chân vịt tăng từ 20 độ đến 30 độ vận tốc xuồng giảm Kết khảo sát cho thấy góc đặt trục chân vịt tốt khoảng 20 độ 3.3.2.3 Ảnh hưởng góc nâng (nghiêng dọc) đến vận tốc xuồng Lực cản chuyển động xuồng phụ thuộc vào diện tích cản Khi góc nâng thay đổi, diện tích cản xuồng thay đổi theo dẫn đến lực cản thay đổi, lực cản thay đổi vận tốc xuồng thay đổi Để khảo sát ảnh hưởng góc nâng đến vận tốc xuồng, tiến hành khảo sát đầu vận tốc xuồng ứng với góc nâng khác Kết khảo sát thể hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 119 Công nghiệp rừng 25 Van toc [km/h] 20 15 10 10 15 20 25 30 35 40 45 Goc nang [Do] Hình Vận tốc xuồng ứng với góc nâng khác Nhận xét: Quan hệ góc nâng với vận tốc xuồng phi tuyến, góc nâng lớn lực cản giảm dẫn đến vận tốc xuồng cao Khi xuồng chuyển động, góc nâng lớn làm cho lực cản chuyển động giảm 3.3.2.4 Ảnh hưởng hình dạng mặt cắt ngang mũi xuồng đến vận tốc xuồng Khi xuồng di chuyển kênh có bèo tây, hình dạng mũi xuồng ảnh hưởng lớn đến hệ số cản Theo quan sát thực nghiệm, mũi xuồng có dạng hình nêm có tác dụng rẽ bèo sang hai bên mạn xuồng, từ giảm ma sát bề mặt đáy xuồng với bèo tây, ngược lại hình dạng mũi xuồng có dạng hình elip tồn phần mặt đáy xuồng trượt bèo, từ làm tăng hệ số cản chuyển động xuồng, dẫn đến vận tốc xuồng bị giảm nhiều Để khảo sát ảnh hưởng hình dạng mặt cắt ngang mũi xuồng đến vận tốc, tiến hành thay đổi hệ số cản tổng hợp k ứng với biên dạng mũi xuồng khác nhau, từ kết nghiên cứu thực nghiệm ngồi trường, chúng tơi xác định hệ số cản k ứng với biên dạng mũi xuồng sau: - Biên dạng mũi xuồng hình nêm: k = 0,3 - Biên dạng mũi xuồng hình elip: k = 0,5 - Biên dạng mũi xuồng hình thang: k = 0,8 Kết khảo sát thể hình 14 Van toc [km/h] 12 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 He so can Hình Vận tốc xuồng ứng với hình dạng mặt cắt ngang khác Nhận xét: Từ kết khảo sát, nhận thấy biên dạng hình nêm cho hệ số cản thấp, từ dẫn đến vận tốc xuồng lớn 120 Nguyên nhân phần lớn bèo tây rẽ sang hai bên mạn xuồng nên lực cản giảm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 Cơng nghiệp rừng 3.3.2.5 Ảnh hưởng vận tốc chuyển động xuồng đến góc lật xuồng quay vịng rẽ sang kênh vng góc Bài tốn khảo sát tiến hành sau: thay đổi vận tốc chuyển động xuồng, góc lái lấy giá trị lớn nhất, đầu tốn khảo sát góc lật xuồng Kết khảo sát thể hình 30 Van toc [km/h] 25 20 15 10 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Goc lat [Do] Hình Góc lật xuồng ứng với vận tốc khác Nhận xét: Khi vận tốc xuồng nhỏ 15 km/h, xuồng ổn định Khi vận tốc xuồng lớn 30 km/h, xuồng ổn định (bị lật) 3.3.2.6 Ảnh hưởng góc lái xuồng đến ổn định chống lật xuồng Bài toán khảo sát tiến hành sau: đầu vào thay đổi góc đánh lái, vận tốc lấy giá trị định v = 15 km/h, đầu góc lật xuồng Kết khảo sát thể hình 18 16 Goc lat [Do] 14 12 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Goc lai [Do] Hình Góc lật xuồng ứng với góc lái khác Nhận xét: Góc lái lớn góc lật lớn Đối với xuồng chữa cháy rừng khảo sát, chạy vận tốc v = 15 km/h, góc đánh lái θ30 = 800 xuồng ổn định, góc lật ψ < ψmax (ψmax góc lật giới hạn) 3.3.2.7 Ảnh hưởng tiết diện ngang Sn đến ổn định chống lật Bài toán khảo sát thay đổi tiết diện ngang cách thay đổi bề rộng xuồng, giữ nguyên chiều cao tọa độ trọng tâm xuồng, góc lái lấy giá trị cố định TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 121 Công nghiệp rừng 45 40 Goc lat [Do] 35 30 25 20 15 10 0 0.5 1.5 2.5 Be rong xuong [m] Hình 10 Góc lật xuồng ứng với tiết diện mặt cát ngang khác Nhận xét: Khi bề rộng xuồng nhỏ, góc lật xuồng lớn Để xuồng ổn định, bề rộng tối thiểu xuồng Bài toán khảo sát tiến hành sau: thay đổi chiều cao tọa độ trọng tâm xuồng, thông số khác lấy giá trị định Kết khảo sát thể hình 11 3.3.2.8 Ảnh hưởng chiều cao tọa độ tâm đến ổn định chống lật 60 Goc lat [Do] 50 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 Chieu cao tam [m] Hình 11 Góc lật xuồng ứng với chiều cao trọng tâm khác Nhận xét: Chiều cao tọa độ trọng tâm lớn góc nghiên xuồng lớn, từ khả ổn định chống lật Vì để đảm bảo ổn định chống lật cho xuồng chữa cháy, chiều cao tọa độ trọng tâm xuồng nhỏ 0,5 m IV KẾT LUẬN Từ cấu tạo điều kiện hoạt động xuồng chữa cháy rừng tràm, xây dựng mơ hình động lực học chuyển động xuồng, từ thiết lập hệ phương trình vi phân động lực học chuyển động xuồng (phương trình (1) (2) Đã sử dụng phần mềm Matlab 122 – Simulink để khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc khả ổn định lật xuồng hoạt động Kết khảo sát xác định qui luật ảnh hưởng yếu tố đến hàm mục tiêu khảo sát (từ hình đến hình 11), kết nghiên cứu sở khoa học cho việc 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 cơng nghệ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2016 ... Matlab 122 – Simulink để khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc khả ổn định lật xuồng hoạt động Kết khảo sát xác định qui luật ảnh hưởng yếu tố đến hàm mục tiêu khảo sát (từ hình đến hình 11), kết nghiên... xuồng ứng với vận tốc khác Nhận xét: Khi vận tốc xuồng nhỏ 15 km/h, xuồng ổn định Khi vận tốc xuồng lớn 30 km/h, xuồng ổn định (bị lật) 3.3.2.6 Ảnh hưởng góc lái xuồng đến ổn định chống lật xuồng. .. khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến động lực học 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