Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2022, 16 (3V) 138–149 GIẢI PHÁP TĂNG CỨNG UỐN VÀ DẬP TẮT NHANH RUNG ĐỘNG CHO BỘ THANG TRÊN XE THANG CỨU HỎA Nguyễn Văn Tịnha,∗ aKhoa Cơ khí, Trường Đại học[.]
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2022, 16 (3V): 138–149 GIẢI PHÁP TĂNG CỨNG UỐN VÀ DẬP TẮT NHANH RUNG ĐỘNG CHO BỘ THANG TRÊN XE THANG CỨU HỎA Nguyễn Văn Tịnha,∗ a Khoa Cơ khí, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, số 55 đường Giải Phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 15/4/2022, Sửa xong 14/6/2022, Chấp nhận đăng 08/7/2022 Tóm tắt Trong trình làm việc, thang xe thang tương đương với dầm cơng xơn có chiều dài lớn chịu tải trọng tập trung đầu tự Kết cấu thang thiết kế dạng dàn để giảm khối lượng giảm tác động gió Vì độ cứng tổng thể thang giảm, chuyển vị tĩnh dao động thang lớn Trong thực tế, để khắc phục hiệu vấn đề đó, thang áp dụng đồng nhiều giải pháp sử dụng vật liệu nhẹ, tối ưu kết cấu, điều khiển, Tuy nhiên, giải pháp khắc phục đồng thời chuyển vị tĩnh rung động đỉnh thang Trong số nghiên cứu gần đây, tác giả đề xuất cách khái quát giải pháp sử dụng dây cáp thép lắp thêm vào tay vịn rỗng tận dụng hệ thống thủy lực sẵn có xe để kéo căng nhằm giảm độ võng tĩnh, điều khiển cáp thép dập tắt nhanh rung động Giải pháp cho thấy hiệu rõ rệt Ở viết này, tác giả giới thiệu từ sở khoa học đến cấu tạo nguyên lý làm việc cụ thể thiết bị kéo căng cáp hệ thống điều khiển thủy lực thiết kế phục vụ giải pháp; thiết lập mơ hình điều khiển động lực học hệ thủy lực – cáp thép Các đánh giá hiệu tăng cứng uốn dập tắt rung động điều khiển hệ thống trình bày Từ khố: xe thang cứu hỏa; độ cứng uốn; dập tắt rung động; dầm công xôn; điều khiển cáp thép A SOLUTION TO INCREASE THE FLEXURAL STIFFNESS AND QUICKLY EXTINGUISH VIBRATIONS ON A LADDER OF TURNTABLE LADDERS Abstract A ladder of turntable ladders is equivalent to a long cantilever beam subjected to a concentrated load at the free end during the working process Its structure is designed in the form of a truss to reduce mass and wind impact As a result, the overall ladder stiffness decreases The static displacement and oscillation on the ladder are large In fact, to effectively overcome that issue, a ladder will be applied to various solutions, such as using light materials, optimizing structure, control, etc However, such solutions cannot overcome both static displacement and vibration at the ladder top In the recent studies, the author has proposed in general way solution of using additional steel ropes in the hollow handrails and taking advantage of the existing hydraulic system on the vehicle to stretch them to reduce the displacement and control quickly extinguish vibration The solution has shown remarkable results In this article, the author introduces the scientific basis, the specific structure and working principle of the rope tensioning device, and the hydraulic control system designed to serve the solution; establish the dynamics control model of hydraulics-steel rope Evaluations of the effectiveness of flexural stiffening and vibration suppression when controlling the system are also presented Keywords: turntable ladder; flexural stiffness; vibration quenching; cantilever beam; steel rope control https://doi.org/10.31814/stce.huce(nuce)2022-16(3V)-11 © 2022 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN) ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: tinhnv@huce.edu.vn (Tịnh, N V.) 138 Tịnh, N V / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Đặt vấn đề Xe thang thiết bị quan trọng thiếu công tác chữa cháy cứu hộ cứu nạn Để đáp ứng yêu cầu thực tế, chiều dài làm việc thang ngày yêu cầu dài Đặc điểm thang trình làm việc có chiều dài phần thang cơng xơn lớn, độ mảnh cao khối lượng tập trung lớn đỉnh thang Đó nguyên nhân dẫn đến chuyển vị lớn rung động mạnh thang Do đó, người giỏ cứu hộ cảm thấy không thoải mái, khơng an tồn sợ hãi Khả ổn định kết cấu thang cao Về nguyên lý, để tăng chiều dài, độ cứng thang cần phải cải thiện Tiết diện mặt cắt ngang vật liệu chế tạo đoạn thang tăng lên Khối lượng thân thang tăng theo Dẫn đến, chuyển vị ứng suất khơng giảm Hơn nữa, khối lượng tồn xe cần lớn để đảm bảo điều kiện ổn định q trình hoạt động (điều kiện khơng lật đổ) Ở khía cạnh khác, khối lượng kích thước xe thang bị giới hạn khả chịu tải đất (đường, cầu, cống, ) kích thước đường giao thông Như vậy, chiều dài thang bị giới hạn Có nhiều nghiên cứu nhiều giải pháp đưa để làm cho thang cứng hơn, rung động nhỏ dập tắt nhanh dao động q trình làm việc Chúng chia thành hai nhóm giải pháp Thứ làm cho thang phát huy toàn khả làm việc tốt kết cấu dạng dàn xếp hợp lý phần tử dàn [1–3], sử dụng thép định hình để chế tạo ray tay vịn [4, 5] sử dụng vật liệu nhẹ có cường độ cao để chế tạo thang [1] Với việc áp dụng nhóm giải pháp thứ nhất, thang tồn chuyển vị tĩnh rung động lớn Để tiếp tục khắc phục vấn đề này, nhóm giải pháp thứ hai tiến hành tác động từ bên ngồi vào thang Nhóm gồm có: - Tạo ứng suất trước ray tay vịn [6], giúp thang thẳng hơn, chuyển vị đỉnh thang giảm rõ rệt Tuy nhiên, giải pháp không dập tắt dao động nhanh kết cấu thang chịu tải phụ trình làm việc khơng làm việc Ngồi ra, số điều kiện làm việc định, tải gây bất lợi cho kết cấu thang - Điều khiển giảm rung động, giải pháp sử dụng nhiều Trên hầu hết xe thang sử dụng hệ thống thủy lực để dẫn động cấu nên việc điều khiển rung động thơng qua hệ thống thủy lực có ưu điểm vượt trội Các nghiên cứu giảm rung động cho thang giảm chấn chủ động thông qua xy lanh thiết bị chấp hành thủy lực thực Trong [7, 8], mơ hình thang thiết lập hệ động lực học hệ nhiều vật [7] điều khiển rung động uốn xe thang với lồng cứu hộ đỉnh [8] điều khiển riêng biệt rung động uốn xoắn với đoạn thang phụ đỉnh Do thang dài có khối lượng đặt đỉnh thang (giỏ cứu hộ), thang mơ hình hóa dầm Euler-Bernoulli [9, 10] Mơ hình tiếp tục xem xét xác chia dầm thành nhiều đoạn đồng [11–13] Những nghiên cứu cho thấy hiệu chúng áp dụng thực tế Để thực điều khiển theo phương pháp hệ thống thủy lực hệ thống điều khiển xe phải đồng với Do đó, thiết bị thủy lực yêu cầu phải đảm bảo điều khiển xác van tỷ lệ xác van servo khuyến nghị sử dụng Bộ nguồn thủy lực thiết bị điều khiển kèm theo phải to Những điều dẫn đến khoản đầu tư ban đầu lớn thang bàn xoay lúc đòi hỏi dập tắt dao động Ngoài ra, với phương pháp này, dịch chuyển tĩnh lớn kết cấu thang gây trọng lượng thân tải trọng làm việc chưa khắc phục Như vậy, cần thiết có giải pháp giải tồn hướng tới làm tăng chiều dài làm việc giới hạn thang, giảm giá thành áp dụng đối tượng xe thang hệ cũ, chưa trang bị thiết bị đồng để giảm rung động Trong [14, 15] trình bày cách chung giải pháp thêm dây cáp thép vào bên 139 Tịnh, N V / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng ống tay vịn rỗng Các cáp thép kéo căng đến mức định điều khiển để dập tắt rung động đỉnh thang thông qua động thủy lực cỡ nhỏ lắp thêm đầu tay vịn Giải pháp cho thấy hiệu khía cạnh xem xét lực căng cáp thép có ảnh hưởng tích cực đến giảm rung động thang, điều khiển lực giảm chấn cho hiệu dập tắt rung động tốt lực kéo căng cáp ban đầu, Tuy nhiên, nghiên cứu chưa thể chi tiết giải pháp nêu chưa thiết lập mơ hình hệ thủy lực – cáp thép để điều khiển Bài viết giải tồn đồng thời đánh giá cách toàn diện khả tăng sức chống uốn hiệu dập tắt nhanh rung động cho thang tối ưu kết cấu Đề xuất giải pháp 2.1 Cơ sở đề xuất Trong trình làm việc, thang mở rộng tồn bộ, mơ hình hóa dầm cơng xơn Một đầu liên kết với máy sở, đầu tự chịu tải trọng tập trung lớn trọng lượng giỏ cứu hộ, vật tư, thiết bị người cứu hộ Bộ thang chịu uốn bị cong mặt phẳng thẳng đứng Các ray phía chịu tải nén tay vịn phía chịu tải kéo Hình Thực tế, kết cấu thang dạng dàn chế tạo với ray có kích thước mặt cắt tiết diện lớn, tiết diện tay vịn lại nhỏ Do đó, ý tưởng đề xuất làm tăng khả chịu kéo tay vịn giữ kết cấu thang không thay đổi cách luồn dây cáp thép vào phía để chúng chịu tải với tay vịn Nhằm tăng hiệu quả, cáp thép kéo căng, giúp ray giảm bớt tải nén tay vịn giảm bớt tải kéo Bộ thang gần khơng cịn bị cong mặt phẳng thẳng đứng mở rộng Điều có nghĩa chuyển vị tĩnh đỉnh thang làm giảm đáng kể Hình Dạng ứng suất biên thang Trên xe thang có trang bị hệ thống thủy lực để phục vụ điều khiển cấu làm việc theo tính kỹ thuật xe Ý tưởng tiếp tục đề xuất tận dụng nguồn lượng thủy lực có sẵn để thực điều khiển chủ động lực căng cáp thép gắn thêm nhằm dập tắt dao động đỉnh thang 140 Tịnh, N V / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 2.2 Cấu tạo nguyên lý thiết bị đề xuất Các thiết bị phục vụ ý tưởng đề xuất gắn thêm vào kết cấu thang dạng dàn gồm ba đoạn tối ưu kết cấu [1] Hình Động thủy lực cỡ nhỏ xy lanh thủy lực có đường kính ướt 40 mm hành trình dịch chuyển pít tơng 50 mm gắn đầu phía tay vịn để kéo căng điều khiển cáp thép cần Các cáp thép luồn bên tay vịn rỗng có tỷ lệ giảm chấn 2%, đầu cố định vào cần pít tơng xy lanh, đầu cố định vào đầu lại tay vịn Chúng đỡ gối cách vật liệu nhựa tổng hợp nhẹ nhằm mục đích giữ cáp thép khơng bị võng Hình Kết cấu thang gồm ba đoạn với cáp thép thêm vào Trên đầu đoạn thang có gắn cảm biến để xác định thơng số động học điểm đặt chúng Tín ghi nhận truyền điều khiển trung tâm, đây, điều khiển lọc tín hiệu, khuếch đại, phân tích cung cấp tín hiệu điều khiển cho động Đây mơ hình điều khiển dạng mạch kín với đa tín hiệu đầu vào đa tín hiệu đầu Chi tiết mơ hình điều khiển trình bày Mục 3.2 Hình sơ đồ mạch thủy lực điều khiển xy lanh kéo căng cáp Hệ thống sử dụng van phân phối tỷ lệ xác cỡ nhỏ điều khiển dòng dầu cung cấp cho xy lanh Xy lanh hoạt động theo chiều, chiều lại sức căng cáp kéo Các cảm biến 6, cảm biến dịch chuyển tích hợp để xác định lưu lượng, áp suất dầu Hình Mạch thủy lực điều khiển thiết bị thủy lực vị trí pít tơng Các van điều khiển gián tiếp 4, 10 11 đảm bảo áp suất dầu vị trí đặt chúng có áp suất theo u cầu đảm bảo an toàn cho hệ thống kết cấu thang Như vậy, thấy, cáp thép khơng cần kéo căng khơng cần thiết, đơn kéo căng để khắc phục độ võng tĩnh điều khiển lực căng để dập tắt nhanh rung động có yêu cầu 141 Tịnh, N V / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Đánh giá hiệu áp dụng giải pháp 3.1 Tăng cứng uốn Nghiên cứu thực ứng dụng giải pháp thang dạng dàn chế tạo từ hợp kim nhơm có cấu tạo từ ba đoạn thang lồng vào theo sáng chế US 2009/0101436 A1 Các tiêu chuẩn sử dụng vào việc tính tốn, kiểm tra đánh giá gồm [16–22] Tiến hành mơ thang chương trình tính tốn kết cấu trạng thái thang mở rộng tối đa, tương ứng với hai vị trí góc nâng mặt phẳng thẳng đứng 0◦ 75◦ Thang liên kết với máy sở thông qua bốn khớp cầu Tải trọng tính tốn kiểm tra gồm loại tải trọng, giá trị đặc điểm chúng trình bày [23] Ngồi tải trọng thơng thường tính tốn thiết kế cần trục loại cần ống lồng dạng dàn xe thang, tải trọng xem xét thêm tải gây lực căng cáp thép đề xuất gắn thêm vào bên tay vịn Fr , bao gồm sáu cặp lực đặt đầu tay vịn thang Giá trị lực kéo căng đoạn thang nhau, tương ứng đoạn thang thứ i Fri Fri j = kri j · Fri1 (1) kri j hệ số lực căng, kri j = − 6; Fri1 giá trị lực căng sở; i = − 3; j = − Số tổ hợp tải trọng tính tốn gồm 36 tổ hợp, xem xét ba trường hợp: máy làm việc khơng có gió; máy làm việc có gió máy làm việc điều kiện thử nghiệm Bảng Lượng giảm ứng suất lớn ray tay vịn Ray Giá trị kri 0,5 0,0% 0,1% 0,1% 0,2% 0,2% 0,3% 0,3% ◦ Ray ◦ ◦ Ray ◦ 75 75 0,1% 0,1% 0,3% 0,4% 0,6% 0,7% 0,9% 0,1% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5% 0,6% 0,1% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5% 0,6% ◦ Tay vịn ◦ 75 0,1% 0,3% 0,6% 0,8% 1,1% 1,4% 1,7% 0,4% 0,8% 1,5% 2,3% 3,1% 3,8% 4,6% ◦ Tay vịn ◦ ◦ Tay vịn ◦ 75 75 0,4% 0,7% 1,4% 2,1% 2,8% 3,5% 4,2% 0,9% 1,8% 3,7% 5,5% 7,3% 9,1% 11,0% 0,8% 1,7% 3,3% 5,0% 6,7% 8,3% 10,0% 2,3% 4,7% 9,4% 14,1% 18,7% 23,4% 28,1% ◦ 1,1% 2,3% 4,5% 6,8% 9,0% 11,3% 13,5% 75◦ 3,1% 6,2% 12,4% 18,6% 24,8% 31,0% 37,2% Kết thu lực căng cáp thép tay vịn tăng lên ứng suất hầu hết phần tử cấu tạo thang giảm xuống So sánh thang nguyên thang có áp dụng giải pháp với mức lực căng khác nhau, phần trăm lượng giảm ứng suất lớn tay vịn ray ứng suất tính tốn từ 36 tổ hợp xem xét Bảng Trừ hai phần tử chéo gần với gối liên kết với bàn xoay có xu hướng tăng lên (ở vị trí góc nâng lớn nhất: ứng suất lớn tăng tối đa 3,6% tỷ lệ ứng suất lớn so với ứng suất cho phép −0,175; vị trí thang nằm ngang: ứng suất lớn tăng tối đa 1,2% tỷ lệ ứng suất lớn so với ứng suất cho phép −0,498) Mức độ tăng nhỏ giá trị ứng suất nằm ngưỡng an toàn [23] Chuyển vị tĩnh đỉnh thang giảm đáng kể Mức độ giảm lớn lực căng cáp lớn ảnh hưởng lực căng cáp tay vịn đoạn thang thứ đến chuyển vị đỉnh thang lớn Lượng giảm kéo cáp ba đoạn thang kéo đoạn thang thứ 1,5% – 17,5% 0,9% – 10,5% ứng với hệ số kéo căng từ 0,5 đến Tương tự vậy, hai trường hợp kéo cáp trên, lượng giảm chênh lệch chuyển vị đỉnh thang chưa chịu tải sau chịu tải với số người giỏ cứu hộ gấp 1,5 lần quy định theo tiêu chuẩn BS EN 14043:2014 3,5% – 41,6% 2% – 24,5% 142 Tịnh, N V / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Như vậy, thấy kéo căng cáp thép tay vịn, chuyển vị đỉnh thang giảm rõ rệt, thang thẳng hơn, giảm tải cho tay vịn ray Điều thể khả chống uốn mặt phẳng thẳng đứng cải thiện khối lượng thang không tăng 3.2 Đánh giá khả dập tắt rung động a Mô hình động lực học thang Giả thiết trọng lượng đoạn thang phân bố chiều dài Trọng lượng giỏ cứu hộ, người, thiết bị vật tư cứu hộ đặt đỉnh thang coi tải trọng tập trung Lực căng gây cáp thép lắp thêm gây lực nén dọc trục uốn thang lực căng lệch tâm so với trục trung hòa thang Mỗi đoạn thang mơ dầm cơng xơn với chiều dài Li bao gồm (n + 1) miếng cứng i0 , i1 , , in , (i = − 3, n ≥ 2) Miếng cứng in phận ngàm Miếng cứng 2n liên kết với j đệm 1-2 Miếng cứng 3n liên kết với j đệm 2-3 Miếng 30 liên kết với xe sở chốt lề xi lanh thủy lực Phần tử thứ j, ( j = − n) đoạn thang i có tọa độ (xi j , yi j , ϕi j ) đặt trọng tâm Các miếng cứng đoạn thang liên kết với lò xo xoắn giảm chấn mô tả Hình Trong đó, ki ci độ cứng hệ số giảm chấn lò xo giảm chấn đoạn thang thứ i (trừ lò xo giảm chấn cùng); ki∗ c∗i độ cứng hệ số giảm chấn lò xo xoắn giảm chấn Mục đích việc chia cặp lò xo xoắn giảm chấn thành hai nhóm để đảm bảo chuyển vị đỉnh thang mơ hình thực tế tương đương Hình Mơ hình động lực học thang có gắn thêm cáp thép Việc lắp đặt cáp thép phía tay vịn khơng có độ võng nên chúng mơ hình hóa lị xo kéo kci giảm chấn cci (i = − 3) Mỗi đầu cặp lò xo giảm chấn liên kết với đầu đoạn thang khớp lề Khớp lệch tâm với đường tâm thang khoảng δei (i = − 3) 143 Tịnh, N V / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Mô men uốn gây lực căng cáp thép lắp thêm đoạn thang thứ i là: T i = kci δei (lcai − lcai0 ) , i=1−3 (2) lcai0 chiều dài tự nhiên lcai chiều dài làm việc cáp thép Tải giảm chấn cáp thép gắn thêm đoạn thang thứ i gây Di = cci δei l˙cai , i=1−3 (3) với l˙cai tốc độ thay đổi chiều dài lcai theo thời gian Phương trình chuyển động thang viết dạng: " # " # " # M Tq qă Q Ã = λ γ Φq (4) M ma trận khối lượng, Φq ma trận Jacobian cỏc rng buc, qă l vộc t gia tc, véc tơ nhân tử Lagrange, Q véc tơ lực suy rộng, γ véc tơ vế phải phương trình gia tốc Tọa độ tổng quát q định nghĩa q= h x10 y10 ϕ10 x3n y3n ϕ3n iT (5) Bằng phương pháp số, hệ phương trình (4) giải tìm thơng số động học miếng cứng Độ dịch chuyển, vận tốc gia tốc đỉnh thang xác định thông qua thông số tương ứng tọa độ trọng tâm miếng cứng 1n b Ảnh hưởng lực căng cáp đến rung động đỉnh thang Sử dụng phần mềm Matlab để lập trình mô chuyển động đỉnh thang với tất trình làm việc máy trường hợp có cáp thép khơng có cáp thép lắp thêm Theo kết mô phỏng, ảnh hưởng lực căng cáp thép đến độ rung đỉnh thang trình thang làm việc đáng kể [14] Tất biên độ rung động, biên độ vận tốc gia tốc giảm so với trường hợp khơng có cáp thép Lượng giảm nhiều trình hạ thang (xem Bảng 2) Các giá trị giảm sâu lực căng cáp thép tăng lên Cáp thép đoạn thang thứ ảnh hưởng nhiều đến giảm rung động phần đỉnh thang Bảng Lượng giảm giá trị thông số động học Thông số Nâng Hạ Mở rộng Thu lại Chuyển vị Vận tốc Gia tốc 30,3% 27,1% 29,2% 73,9% 74,8% 74,6% 6,8% 17,7% 29,2% 69,8% 71% 72% Như vậy, lực căng cáp thép lắp thêm ảnh hưởng tích cực đến trình làm giảm rung động đỉnh thang Tuy nhiên, để biên độ rung động tiếp cận mà khơng điều khiển dây cáp cần thời gian dài 144 ... dài thang bị giới hạn Có nhiều nghiên cứu nhiều giải pháp đưa để làm cho thang cứng hơn, rung động nhỏ dập tắt nhanh dao động trình làm việc Chúng chia thành hai nhóm giải pháp Thứ làm cho thang. .. khiển để dập tắt rung động đỉnh thang thông qua động thủy lực cỡ nhỏ lắp thêm đầu tay vịn Giải pháp cho thấy hiệu khía cạnh xem xét lực căng cáp thép có ảnh hưởng tích cực đến giảm rung động thang, ... giá cách toàn diện khả tăng sức chống uốn hiệu dập tắt nhanh rung động cho thang tối ưu kết cấu Đề xuất giải pháp 2.1 Cơ sở đề xuất Trong trình làm việc, thang mở rộng tồn bộ, mơ hình hóa dầm công