Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Tìm hiểu tổng quan về hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi áp dụng cho tàu vớt lục bình; - Tìm hiểu về các phương án cân bằng, phương án truyền động cho hệ cân b

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỒ NHẬT AN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG

CHO TÀU VỚT LỤC BÌNH

STUDY ON DESIGN OF SELF-BALANCING SYSTEM

FOR HARVESTER MACHINES

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TpHCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 07 tháng 07 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Duy Anh

2 Thư ký: TS Phùng Thanh Huy

3 Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

4 Phản biện 2: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ

5 Ủy viên: TS Trần Việt Hồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lậ p - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: HỒ NHẬT AN MSHV: 2070296

Ngày tháng năm sinh: 01/5/1997 Nơi sinh: TpHCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114

I TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CHO TÀU VỚT LỤC BÌNH (STUDY ON DESIGN OF SELF-BALANCING SYSTEM FOR

HARVESTER MACHINES)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi áp dụng cho tàu vớt lục bình;

- Tìm hiểu về các phương án cân bằng, phương án truyền động cho hệ cân bằng và phương án thiết kế bộ điều khiển cho tàu vớt lục bình;

- Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tàu vớt lục bình;

- Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển đã thiết kế cho tàu vớt lục bình;

- Thực nghiệm bộ điều khiển đã thiết kế cho tàu vớt lục bình;

- Đưa ra kết luận và hướng phát triển đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành được luận văn thạc sĩ này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến - Người đã định hướng, giúp đỡ

và hướng dẫn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Thầy đã giúp tôi

mở mang thêm nhiều kiến thức hữu ích về ngành Cơ điện tử Đồng thời, thầy cũng là người cho tôi những lời khuyên vô cùng quý giá về cả kiến thức chuyên môn cũng như định hướng phát triển sự nghiệp Một lần nữa, tôi xin cảm ơn đến thầy bằng tất cả tấm lòng và sự biết ơn của mình

Tôi xin cảm ơn các quý thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên ngành, kỹ năng nghiên cứu khoa học cũng như những kỹ năng chuyên môn trong lĩnh vực Cơ điện tử

Tôi xin cảm ơn các anh chị tại Ban Quản lý Đường sắt đô thị Tp.HCM

đã hỗ trợ, giúp đỡ nhiệt tình trong công việc và tạo điều kiện cho tôi chuyên tâm vào việc nghiên cứu và hoàn thành luận văn sớm nhất

Sau cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến ba mẹ, anh chị em và những người bạn đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên tôi trong khoảng thời gian thực hiện luận văn này

Chân thành cảm ơn và xin chúc những điều tốt đẹp nhất sẽ đến với tất cả mọi người./

Hồ Nhật An

bị luôn trong trạng thái an toàn Kết quả mô phỏng bằng Matlab và thực nghiệm sẽ chứng minh khả năng ứng dụng của giải pháp này

ABSTRACT

The thesis presents the self-balancing solution for water hyacinth automatic harvester machine working on canals Balance for machines floating on water is a matter of concern to ensure safety during operation The advantage of actual empty space in hold of machine or on the deck will arrange the balancing system accordingly The solution here is to use counterweights that are driven in two perpendicular directions to create a balanced torque for the machine A basic slide mode controller is used to control counterweights so that the machine is always in a safe state Simulation results using Matlab and experiment will prove the applicability and the effectiveness of this solution

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực Những số liệu, công thức, phương pháp được thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về công trình nghiên cứu của mình./

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023

Hồ Nhật An

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu đề tài 1

3 Phạm vi nghiên cứu 2

TỔNG QUAN 3

1.1 Sơ lược về thiết bị thu gom lục bình 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 4

1.2 Sơ lược về tổ hợp thiết bị xử lý thu gom lục bình trong nghiên cứu 8

1.2.1 Sơ lược thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu 8

1.2.2 Sơ lược thiết bị trục vớt lục bình trong nghiên cứu 13

1.3 Đầu bài đặt ra cần phải giải quyết 18

1.4 Tình hình nghiên cứu hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi 20

1.5 Các giải pháp cân bằng cho phương tiện nổi hiện nay 22

1.5.1 Hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi 22

1.5.2 Các kỹ thuật cân bằng được áp dụng hiện nay 23

1.6 Lựa chọn phương án cân bằng cho tổ hợp thiết bị 33

1.7 Tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định thiết bị 34

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 37

2.1 Xác định trọng tâm cân bằng 37

2.2 Xác định khối lượng vật nặng cần thiết 39

2.2.1 Đối với thiết bị băm phá lục bình 39

2.2.2 Đối với thiết bị trục vớt lục bình 41

2.3 Cơ cấu truyền động 43

2.3.1 Truyền động đai 43

2.3.2 Truyền động xích 45

2.3.3 Truyền động bánh răng 47

2.3.4 Truyền động vít-me – đai ốc kết hợp ray trượt 48

2.3.5 Lựa chọn cơ cấu truyền động 50

2.4 Giải thuật điều khiển 50

2.4.1 Phương pháp điều khiển ON-OFF 50

2.4.2 Phương pháp điều khiển PID, PD, PI 50

2.4.3 Phương pháp điều khiển trượt 52

2.4.4 Lựa chọn giải thuật điều khiển 53

2.5 Bộ lọc Kalman 53

2.6 Phương án bố trí hệ thống cân bằng trên thiết bị 54

MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 57

3.1 Mô hình hóa 57

3.1.1 Mô hình hóa cụm trục vít-me 57

3.1.2 Mô hình hóa hệ thống cân bằng cho thiết bị băm phá lục bình 59

3.1.3 Mô hình hóa hệ thống cân bằng cho thiết bị trục vớt lục bình 62

3.2 Thiết kế bộ điều khiển 64

3.2.1 Cơ sở lý thuyết 66

3.2.1.1 Lý thuyết điều khiển trượt 66

3.2.1.2 Lý thuyết ổn định Lyapunov 68

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển cụm trục vít me 69

3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tổ hợp thiết bị 73

MÔ PHỎNG 75

4.1 Mô phỏng bộ điều khiển cụm trục vít-me 75

4.2 Mô phỏng bộ điều khiển cân bằng thiết bị băm phá lục bình 79

4.3 Mô phỏng bộ điều khiển cân bằng thiết bị trục vớt lục bình 82

THỰC NGHIỆM 87

5.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 87

5.1.1 Thiết kế phần cứng 87

5.1.1.1 Phương pháp xây dựng mô hình 87

5.1.1.2 Thông số mô hình đồng dạng 90

5.1.1.3 Phương án thi công mô hình 90

5.1.1.4 Ước lượng các khối lượng tính toán 91

5.1.2 Thiết kế phần điện 92

5.2 Thực nghiệm bộ điều khiển cân bằng 93

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 97

6.1 Kết luận 97

6.2 Hướng phát triển đề tài 97

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Thiết bị trục vớt cỡ lớn của công ty Inland Lake Harvesters, Inc, Mỹ 3

Hình 1.2: Thiết bị trục vớt rong, lục bình cỡ lớn của công ty Aquamarine, Canada 4

Hình 1.3: Thiết bị cắt-vớt tại Vườn quốc gia U Minh Thượng, Kiên Giang 4

Hình 1.4: Thiết bị cắt-vớt do Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM thực hiện 5

Hình 1.5: Thiết bị vớt lục bình trên kênh cấp thoát nước khu vực Tp.HCM 5

Hình 1.6: Thiết bị vớt lục bình được TS Bùi Trung Thành và các cộng sự cải tiến 6

Hình 1.7: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình trước đây 6

Hình 1.8: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình đề xuất sử dụng 7

Hình 1.9: Sơ đồ tổ hợp thiết bị thu gom, trục vớt lục bình 8

Hình 1.10: Dao cắt tích hợp trên băng tải vớt lục bình 9

Hình 1.11: Dao cắt dạng tròn và dạng trụ thường sử dụng cho thiết bị băm phá 10

Hình 1.12: Dao cắt lục bình dạng trụ trong thực tế 11

Hình 1.13: Thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu 12

Hình 1.14: Hình chiếu đứng thiết bị trục vớt lục bình trong dự án 14

Hình 1.15: Hình chiếu bằng thiết bị trục vớt lục bình trong dự án 14

Hình 1.16: Sơ đồ truyền động bằng động cơ thủy lực 15

Hình 1.17: Sơ đồ di chuyển lục bình trên thiết bị trục vớt 16

Hình 1.18: Sơ đồ xả tải lục bình theo mạn phải hoặc mạn trái của thiết bị 17

Hình 1.19: Trường hợp thiết bị mất cân bằng theo phương ngang 17

Hình 1.20: Trường hợp thiết bị mất cân bằng theo phương dọc 18

Hình 1.21: Các góc xoay trong trường hợp thiết bị mất cân bằng 19

Hình 1.22: Mô hình con quay hồi chuyển 23

Hình 1.23: Nguyên lý hoạt động con quay hồi chuyển [25] 23

Hình 1.24: Con quay hồi chuyển lắp đặt trên tàu Conte di Savoia tại Ý năm 1932 24 Hình 1.25: Cách bố trí vây giảm lắc (ki hông) bên hông tàu 25

Hình 1.26: Các mẫu kết cấu ki hông 26

Hình 1.27: Mô men được tạo ra trong hoạt động của thùng chứa chống lắc 27

Hình 1.28: Thùng chứa chống lắc chủ động 27

Hình 1.29: Van điều chỉnh khí của thùng chứa thụ động theo mặt cắt ngang 28

Hình 1.30: Hệ thống lái hông của hãng Motora 29

Hình 1.31: Hệ thống lái hông của hãng Denny-Brown 30

Hình 1.32: Cách bánh lái thiết bị nổi làm giảm mô men lắc 31

Hình 1.33: Quy trình đánh giá ổn định của máy thu gom lục bình 36

Hình 2.1: Tọa độ trọng tâm thiết bị băm phá theo phương x và phương y 38

Hình 2.2: Tọa độ trọng tâm thiết bị băm phá theo phương z 38

Hình 2.3: Tọa độ trọng tâm thiết bị trục vớt theo phương x và phương y 38

Hình 2.4: Tọa độ trọng tâm thiết bị trục vớt theo phương z 39

Hình 2.5: Các bước xác định khối lượng vật nặng cần thiết cho thiết bị băm phá 39

Hình 2.6: Các bước xác định khối lượng vật nặng cần thiết cho thiết bị trục vớt 41

Hình 2.7: Bộ truyền đai thông thường 43

Hình 2.8: Bộ truyền đai chéo và nửa chéo 43

Hình 2.9: Bộ phận căng đai 43

Hình 2.10: Bộ truyền xích 45

Hình 2.11: Bộ truyền có 3 đĩa bị dẫn 45

Hình 2.12: Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng 47

Hình 2.13: Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng 47

Hình 2.14: Bộ truyền bánh răng nón (côn) 47

Hình 2.15: Bộ truyền vít - đai ốc 48

Hình 2.16: Bộ truyền động vít-me - đai ốc bi 50

Hình 2.17: Đáp ứng của bộ điều khiển PID 52

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trượt 53

Hình 2.19: Mô hình đo lường ước lượng của bộ lọc Kalman 54

Hình 2.20: Tín hiệu thu trước và sau khi lọc qua Kalman 54

Hình 2.21: Bố trí vật đối trọng trong khoang hầm thiết bị 55

Hình 2.22: Bố trí vật đối trọng trên boong thiết bị 55

Hình 2.23: Bố trí các vật đối trọng trong khoang hầm thiết bị 56

Hình 3.1: Mô hình cụm trục vít-me 57

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý cụm trục vít-me 58

Hình 3.3: Mô hình cấu trúc hệ thống truyền động điện điều khiển trục vít me 58

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ truyền động của hệ thống cụm trục vít me 58

Hình 3.5: Vật nặng 2 và 3 dịch chuyển khi có lực cắt sinh ra 59

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân bằng trên thiết bị băm phá 59

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý cân bằng theo các phương 60

Hình 3.8: Vật nặng dịch chuyển khi lục bình trên băng tải vớt 62

Hình 3.9: Vật nặng dịch chuyển khi lục bình trên băng tải chứa 62

Hình 3.10: Vật nặng dịch chuyển khi lục bình trên băng tải xả 62

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân bằng trên thiết bị trục vớt 63

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý cân bằng theo các phương 63

Hình 3.13: Sơ đồ khối tổng quát điều khiển cân bằng 65

Hình 3.14: Sơ đồ khối thể hiện hai vòng hồi tiếp 66

Hình 3.15: Cơ cấu chấp hành 66

Hình 3.16: Sơ đồ khối điều khiển cụm trục vít-me 69

Hình 4.1: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (1) 76

Hình 4.2: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (1) 76

Hình 4.3: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (1) 76

Hình 4.4: Kết quả bám nhiễu của hệ thống trường hợp (1) 76

Hình 4.5: Kết quả sai số bám nhiễu của hệ thống trường hợp (1) 76

Hình 4.6: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (2) 77

Hình 4.7: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (2) 77

Hình 4.8: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (2) 77

Hình 4.9: Kết quả bám nhiễu của hệ thống trường hợp (2) 77

Hình 4.10: Kết quả sai số bám nhiễu của hệ thống trường hợp (2) 77

Hình 4.11: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (3) 78

Hình 4.12: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (3) 78

Hình 4.13: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (3) 78

Hình 4.14: Kết quả bám nhiễu của hệ thống trường hợp (3) 78

Hình 4.15: Kết quả sai số bám nhiễu của hệ thống trường hợp (3) 78

Hình 4.16: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (4) 80

Hình 4.17: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (4) 80

Hình 4.18: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (4) 80

Hình 4.19: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (5) 81

Hình 4.20: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (5) 81

Hình 4.21: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (5) 81

Hình 4.22: Kết quả bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (6) 83

Hình 4.23: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (6) 83

Hình 4.24: Kết quả bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (6) 83

Hình 4.25: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (6) 83

Hình 4.26: Đồ thị vị trí vật đối trọng 1 trường hợp (6) 84

Hình 4.27: Đồ thị vị trí vật đối trọng 2 trường hợp (6) 84

Hình 4.28: Đồ thị vị trí vật đối trọng 3 trường hợp (6) 84

Hình 4.29: Kết quả bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (7) 84

Hình 4.30: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (7) 84

Hình 4.31: Kết quả bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (7) 85

Hình 4.32: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (7) 85

Hình 4.33: Đồ thị vị trí vật đối trọng 1 trường hợp (7) 85

Hình 4.34: Đồ thị vị trí vật đối trọng 2 trường hợp (7) 85

Hình 4.35: Đồ thị vị trí vật đối trọng 3 trường hợp (7) 85

Hình 5.1: Đồng dạng hình học mô hình thật và mô hình thu nhỏ với tỉ lệ 1/10 87

Hình 5.2: Các bộ phận của mô hình 90

Hình 5.3: Sơ đồ khối hệ thống mạch điện 92

Hình 5.4: Hồ dùng thực nghiệm cho mô hình 93

Hình 5.5: Mô hình tàu sau khi thi công xong 93

Hình 5.6: Các thiết bị điện sử dụng trên mô hình thực nghiệm 94

Hình 5.7: Mô hình thực nghiệm tàu trong môi trường hồ nước 94

Hình 5.8: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương pitch khi không có bộ điều khiển 95

Hình 5.9: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương pitch khi có bộ điều khiển 95

Hình 5.10: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương roll khi không có bộ điều khiển 95

Hình 5.11: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương roll khi có bộ điều khiển 96

Hình 5.12: Thực nghiệm trường hợp 2 với phương roll khi có tải tác động 96

Hình 5.13: Thực nghiệm trường hợp 2 với phương pitch khi có tải tác động 96

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số cơ bản của thiết bị băm phá lục bình 12

Bảng 1.2: Thông số cơ bản của thiết bị trục vớt lục bình 14

Bảng 1.3: Thông số công suất các cụm công tác trên thiết bị trục vớt 15

Bảng 4.1: Thông số cụm trục vít-me mô phỏng [52] 75

Bảng 4.2: Thông số mô phỏng cân bằng thiết bị băm phá lục bình 79

Bảng 4.3: Thông số mô phỏng cân bằng thiết bị trục vớt lục bình 82

Bảng 5.1: Thông số quy đổi giữa thiết bị thực tế và mô hình 90

Bảng 5.2: Số lượng và khối lượng vật nặng 91

e Sai số bám quỹ đạo trục vít-me

PD Proportional and Derivative

GPC Generalized Predictive Control

DPC Dead-Beat Predictive Control

LTR Loop Transfer Recovery

SMC Sliding Mode Control

CBA Classical Back-propagation Algorithm

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, chủ yếu công việc vớt lục bình ở các vùng sông nước Việt Nam được thực hiện bằng phương pháp thủ công, người lao động đứng trên thuyền hoặc trên bờ sử dụng các dụng cụ cầm tay như vợt, móc, lưới,… để vớt lục bình Các loại thiết bị dùng để vớt lục bình hiện nay chủ yếu là các thuyền, ghe thô sơ, có loại có máy đẩy, có loại phải chèo hoặc chống bằng sào Công việc vớt lục bình trên sông của các công nhân rất nặng nhọc và vất vả, chủ yếu sử dụng sức người, không có nhiều thiết bị hỗ trợ Để giảm sức lao động của công nhân trong việc thu gom lục bình tại các sông ngòi, kênh rạch, tại Việt Nam đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học từ cấp tỉnh, cấp nhà nước được triển khai thực hiện chế tạo các thiết bị nổi để giải quyết vấn nạn lục bình và bước đầu đã đạt được một số kết quả nhất định Tuy nhiên, hạn chế chung của các đề tài này là chưa đề cập đến việc cân bằng thiết bị trong quá trình vận hành Yếu tố an toàn trong hoạt động thu gom lục bình là cực kỳ quan trọng, đảm bảo sự an toàn tính mạng cho người vận hành cũng như tránh rủi ro chìm thiết

bị do các nguyên nhân khách quan

Trong quá trình hoạt động thu gom lục bình, người điều khiển phương tiện sẽ không thể quan sát được trạng thái thiết bị, mục đích quan sát được trạng thái làm việc của thiết bị nhằm xử lý các tình huống nguy hiểm có thể ảnh hưởng đến sự an toàn như: thiết bị trục vớt lục bình quá tải trọng, tải trọng phân bổ không đều trong khi vớt, va chạm các cành cây, nhánh cây to gây nghiêng thiết bị, hiện tượng nghiêng lắc đột ngột do tác động tự nhiên (sóng to, gió lớn,…) Chính vì lí do trên, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển cân bằng cho thiết bị trong quá trình hoạt động là

vô cùng cần thiết Nghiên cứu trong luận văn này sẽ giải quyết vấn đề về cân bằng cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình tại các kênh rạch, đồng thời có thể

đề xuất phương án mới trong việc thiết kế hệ thống cân bằng cho các phương tiện nổi chuyên dụng cỡ nhỏ

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình” là một

phần nghiên cứu trong dự án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo tổ hợp thiết bị thu gom, tiền xử lý và trục vớt lục bình trên kênh, rạch tại Long An và các tỉnh lân cận” do thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến – Trường đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh làm chủ nhiệm dự án Mục đích nghiên cứu là thiết kế hệ thống cân bằng có thể áp dụng cho thiết bị băm phá lục bình và thiết bị trục vớt lục bình trong dự án nhằm tăng tính an toàn trong quá trình vận hành

3 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu ở những nội dung sau:

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi áp dụng cho

tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình;

- Tìm hiểu về các phương án cân bằng, phương án truyền động cho hệ cân bằng và phương án thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình;

- Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tổ hợp thiết bị băm phá

và thu gom lục bình;

- Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển đã thiết kế cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình;

- Thực nghiệm bộ điều khiển đã thiết kế cho thiết bị thu gom lục bình;

- Đưa ra kết luận và hướng phát triển đề tài

Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn ở việc tính toán, mô phỏng hệ thống cân bằng và thực nghiệm trong trường hợp thiết bị nghiêng lắc trên sóng điều hoà với tần số dao động nhỏ, phù hợp với dao động sóng trên các kênh rạch tại Việt Nam trong điều kiện thường Các trường hợp va chạm gây nghiêng đột ngột hoặc nghiêng trong quá trình trục vớt sẽ được mô phỏng và thực nghiệm theo dạng sóng bước (step)

và phải đảm bảo cho thiết bị luôn trong giới hạn phạm vi an toàn khi hoạt động theo tiêu chuẩn quy định

TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về thiết bị thu gom lục bình

Để vớt và xử lý tình trạng rong bèo và lục bình trôi nổi trên sông, những thiết

bị và tàu chuyên dụng đã được chế tạo nhằm giảm sức lao động của công nhân cũng như tăng năng suất công việc Các thiết bị trục vớt hiện nay rất đa dạng về kích thước, công suất, tính năng và công dụng Sau khi chế tạo, các thiết bị này sẽ được đưa đến

vị trí các con sông, kênh rạch cần thực hiện công việc Tại đó, tàu sẽ di chuyển đến nơi có lục bình và vớt lục bình lên khoang chứa, khi khoang chứa đầy, tàu di chuyển tới gần bờ để chuyển lục bình lên thùng xe hoặc đưa lên bờ Những thiết bị chuyên dụng này phải tuân thủ các quy định khắt khe về tiêu chuẩn an toàn, tiêu chuẩn chất thải môi trường trong ngành đường thủy được luật pháp quốc tế và Việt Nam quy định

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, có rất nhiều quốc gia hàng đầu trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị cắt rong, cỏ dại dưới nước và thu gom lục bình trong lòng sông, mương, hồ chứa nước, điển hình như Hoa Kỳ, Canada, Trung Quốc, Nhiệm vụ của thiết bị cắt – vớt rong, cỏ dại, lục bình là làm thông thoáng dòng chảy để phục vụ giao thông đường thủy, cấp thoát nước, tạo môi trường tốt cho các loài thuỷ sinh sinh sống và bảo vệ cảnh quan thiên nhiên theo các tiêu chuẩn vệ sinh môi trường của Hoa kỳ và châu Âu Các công ty chế tạo tại các quốc gia này đã đưa ra nhiều mẫu thiết bị có các tính năng riêng biệt để phục vụ theo các mục đích khác nhau

Hình 1.1: Thiết bị trục vớt cỡ lớn của công ty Inland Lake Harvesters, Inc, Mỹ

Hình 1.2: Thiết bị trục vớt rong, lục bình cỡ lớn của công ty Aquamarine, Canada

Sự ra đời của các thiết bị này đã giúp Chính phủ các nước giảm được nhiều chi phí trong việc xử lý vấn nạn lục bình, bảo vệ môi trường

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam, đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học từ cấp tỉnh, cấp trung ương đã được triển khai thực hiện để giải quyết vấn nạn lục bình và bước đầu đã đạt được một số kết quả nhất định Một số đề tài tiêu biểu như:

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống máy, thiết bị cắt rong, cỏ dại, vớt bèo tây, rác thải nổi trong lòng kênh, mương, hồ chứa nước” do ThS Bùi Trung Thành chủ nhiệm đề tài [8] Nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện và đưa mẫu máy vào phục vụ trục vớt lục bình tại Vườn Quốc gia U Minh Thượng, tỉnh Kiên Giang Máy

có khả năng cắt, vớt rong dưới mặt nước, cắt vớt cỏ dại, lục bình với hiệu suất làm việc tương đối cao

Hình 1.3: Thiết bị cắt-vớt tại Vườn quốc gia U Minh Thượng, Kiên Giang

Năm 2015, Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao công nghệ thuộc Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện hợp đồng với Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Khoa học kỹ thuật thuộc Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Long An về thiết kế và chế tạo máy cắt, vớt lục bình quy mô nhỏ Máy sau khi chế tạo đã đáp ứng được cơ bản những yêu cầu

Hình 1.4: Thiết bị cắt-vớt do Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM thực hiện

Dự án “Hoàn thiện thiết kế, chế tạo máy cắt-vớt rong, cỏ dại, lục bình cỡ nhỏ trên kênh, mương cấp thoát nước khu vực thành phố Hồ Chí Minh” do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ – Máy Công nghiệp thuộc Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện [9] Kết quả nghiên cứu đã tạo ra được mẫu máy có tính năng vừa có thể trục vớt lục bình trên kênh rạch nhỏ, vừa cắt, vớt rong dưới mặt nước ở độ sâu 1,8m trong các kênh cấp thoát nước khu vực Thành phố

Hồ Chí Minh

Hình 1.5: Thiết bị vớt lục bình trên kênh cấp thoát nước khu vực Tp.HCM

Dự án “Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo máy cắt, vớt rong, cỏ dại, lục bình trên sông phục vụ thoát nước, chống ngập úng cho các đô thị và cấp nước phục

vụ sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, nông thôn Việt Nam” là đề tài nghiên cứu do TS Bùi Trung Thành và các cộng sự thực hiện đã giải quyết được một số khuyết điểm tồn tại từ trước Máy có thể thực hiện chức năng cắt rong, cỏ dại dưới mặt nước với mật độ dày đặc và hệ dao cắt có khả năng điều chỉnh lên xuống theo chiều sâu của mực nước trên sông cũng như theo chiều cao của cây rong, cỏ dại, mọc lên từ đáy sông lên trong phạm vi độ sâu từ 0 - 1,5 m, bề rộng 2,36 m

Hình 1.6: Thiết bị vớt lục bình được TS Bùi Trung Thành và các cộng sự cải tiến

Các thiết bị thu gom lục bình trước đây được chế tạo thường có quy trình tổ hợp xử lý lục bình như sau:

Hình 1.7: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình trước đây

Đây là quy trình đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam hiện nay [8],[9],[10] Tuy nhiên, khi áp dụng quy trình này đã gặp nhiều khó khăn và xuất hiện các nhược điểm

như năng suất giảm khi gặp những lục bình bị kết khối cứng, các khối lục bình này liên kết dày đặc và cắm sâu xuống lòng sông 2 đến 3m, công tác vớt sẽ gặp khó khăn

và hiệu suất không cao và máy trục vớt sau khi vớt sẽ nhanh đầy khoang (do lục bình

ở khoang chứa là lục bình kết khối), khi đó cần một máy trung chuyển (xà lan trung chuyển) mới có thể nâng cao được năng suất vớt

Về ưu điểm của quy trình này, thiết bị trục vớt có bố trí dao cắt trên băng tải vớt thường có chiều rộng cơ sở lớn, vì thế dễ dàng bố trí các cụm công tác, có nhiều không gian để người vận hành đi lại, kiểm tra thiết bị Có thể đặt đáy khoang chứa sâu xuống gần đáy thiết bị, tăng thể tích chứa Ngoài ra sử dụng băng tải vớt, băng tải chứa và băng tải xả thải độc lập sẽ đảm bảo thiết bị làm việc được liên tục tránh việc phải di chuyển ra vào bờ để xả tải liên tục

Về nhược điểm, chiều rộng cơ sở lớn cũng sẽ làm giảm khả năng thông qua của thiết bị, khó xoay sở trong các kênh rạch nhỏ, tăng khối lượng do tăng thêm hai vách ngăn Khi sử dụng băng tải vớt, băng tải chứa và băng tải xả thải độc lập cũng làm tăng khối lượng của thiết bị Khó di chuyển thiết bị bằng phương tiện vận tải đường bộ do kích thước ngang lớn Trong quá trình trục vớt khi gặp những tảng lục bình lớn sẽ rất khó để có thể cắt nhỏ khối lục bình và vớt lên thiết bị Ngoài ra, khó

có thể vớt các lục bình trong các ngách, góc hẹp trên kênh, rạch

Để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại trong việc xử lý lục bình hiện nay, đề xuất thay đổi quy trình tổ hợp xử lý thu gom như sau:

Hình 1.8: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình đề xuất sử dụng

Ở phương án này, sử dụng máy băm phá sơ cấp sẽ giúp tăng năng suất cho máy trục vớt do phá được những lục bình bị kết khối cứng Ngoài ra, chúng ta bố trí lại máy băm đặt trên máy trục vớt nhằm giảm thời gian dừng của máy trục vớt, tăng

năng suất và tăng hiệu quả làm việc do thể tích lục bình sau khi băm đã giảm đi rất nhiều (kích thước trung bình sau băm < 5cm) Tuy nhiên bố trí máy băm thứ cấp như vậy sẽ làm cho máy trục vớt trở nên cồng kềnh hơn

Nhược điểm chung của các đề tài trước đây là chưa nghiên cứu đến vấn đề cân bằng thiết bị trong quá trình vận hành, dẫn đến nguy cơ xảy ra tai nạn Yếu tố an toàn trong hoạt động thu gom xử lý lục bình là cực kỳ quan trọng, đảm bảo sự an toàn tính mạng cho người vận hành cũng như tránh rủi ro chìm thiết bị

1.2 Sơ lược về tổ hợp thiết bị xử lý thu gom lục bình trong nghiên cứu

Trong dự án nghiên cứu đang được triển khai thực hiện, tổ hợp thiết bị thu gom, tiền xử lý và trục vớt lục bình trên kênh rạch được đề xuất bao gồm:

+ 01 máy băm phá lục bình sơ cấp;

+ 01 máy trục vớt lục bình và băm thứ cấp

Hình 1.9: Sơ đồ tổ hợp thiết bị thu gom, trục vớt lục bình

Tổ hợp thiết bị sau khi nghiên cứu sẽ được chuyển giao cho tỉnh Long An, do

đó, tổ hợp này cần phải đáp ứng các đặc điểm của các con kênh tại địa bàn thuộc Long An Đặc điểm của các con kênh khu vực huyện Mộc Hóa và huyện Thạnh Hóa như sau:

+ Chiều rộng kênh: 𝑏 = 25 ÷ 30 𝑚;

+ Độ sâu kênh: ℎ = 3 ÷ 3,5 𝑚;

+ Vận tốc dòng chảy: 𝑣 = 0,2 ÷ 0,4𝑚/𝑠

1.2.1 Sơ lược thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu

Trên các thiết bị thu gom lục bình đã được chế tạo trước đây, để có thể tách tảng lục bình thành từng khối nhỏ, phía trước băng tải vớt được trang bị hai cụm dao

cắt đứng và một cụm dao cắt ngang như Hình 1.10

1 Cơ cấu nâng hạ băng 2 Băng tải vớt lục bình

3 Hệ thống dao cắt đứng 4 Hệ thống dao cắt ngang

Hình 1.10: Dao cắt tích hợp trên băng tải vớt lục bình

Cách bố trí này được sử dụng phổ biến trên các thiết bị trục vớt rong rêu trong và ngoài nước hiện nay Riêng đối với đặc điểm của cây lục bình, thực nghiệm cho thấy việc sử dụng cụm dao cắt răng cưa không phát huy tốt khả năng cắt tách khối cứng

Để khắc phục nhược điểm này, một vài nghiên cứu đã thiết kế thay hai cụm dao cắt đứng bằng cụm dao cắt tròn Hơn nữa, việc bố trí kết hợp giữa việc cắt khối và trục vớt như trên là không hiệu quả, không thể tách các tảng lục bình thành các khối nhỏ

do bị ảnh hưởng của hiện tượng cắt uốn nghiêng cây, cắt trùng và cắt sót [8] Giải pháp đề xuất ở đây là sử dụng thiết bị phá tảng lục bình di chuyển băm phá trước khi thu gom (xử lý qua hai bước)

Đối với thiết bị phá tảng lục bình, dao cắt là chi tiết quan trọng nhất ảnh hưởng đến năng suất làm việc Có hai loại dao cắt thường được sử dụng là dao dạng tròn (Hình 1.11.a) và dao dạng trụ (Hình 1.11.b)

Hình 1.11: Dao cắt dạng tròn và dạng trụ thường sử dụng cho thiết bị băm phá

Biên dạng dao trụ có thể có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công dụng là cắt/xé nhỏ lục bình kết khối Việc thiết kế dao cắt phải đảm bảo được các yếu tố:

1 Phá được kết khối của lục bình;

2 Lùa được lục bình đã băm phá sang hai bên nhằm tránh cản trở việc di chuyển của thiết bị;

3 Công suất động cơ thấp nhất nhưng hiệu suất cắt là cao nhất có thể

Trên thực tế, việc sử dụng dao cắt dạng trụ có hiệu suất cao hơn so với dao cắt dạng tròn khi áp dụng trên thiết bị phá tảng lục bình, một số kết cấu điển hình của dao trụ

có thể thấy trên Hình 1.12

Hình 1.13: Thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu

Thiết bị có cấu tạo gồm một phao nổi hoạt động linh hoạt trên kênh rạch Phía trước thiết bị gắn cụm dao băm phá khối/tảng lục bình hoạt động nhờ hệ thống thủy lực được lắp đặt trên khung đỡ chắc chắn Khi làm việc, người vận hành thiết bị sẽ điều khiển hệ thống thủy lực này để nâng hạ cụm dao cắt sao cho lưỡi dao cắt có thể băm phá lục bình một cách tốt nhất Cụm dao cắt hoạt động nhờ kết nối thanh cứng truyền động từ động cơ có công suất đủ lớn Lục bình sau khi băm phá sẽ được thu gom bằng thiết bị trục vớt lục bình di chuyển theo sau

Bảng 1.1: Thông số cơ bản của thiết bị băm phá lục bình

1 Năng suất băm phá lý thuyết 210240 tấn/h

4 Tốc độ di chuyển không tải 7 km/h

8 Chiều rộng thân tàu lớn nhất 3,6 m

11 Chiều chìm max khi vận hành 0,36 m

Trong quá trình vận hành, lực cắt sinh ra từ cụm dao cắt sẽ làm cho thiết bị bị mất cân bằng và tăng nguy cơ xảy ra nguy hiểm Ngoài ra, thiết bị có thể sẽ gặp phải những trường hợp mất cân bằng do một số nguyên nhân như: cắt trúng rễ cây cứng, lực tác động lớn đột ngột, rễ lục bình quấn chặt vào dao cắt, phản lực sinh ra trong quá trình nâng hạ cụm dao cắt,… các trường hợp này sẽ được xem như một dạng nhiễu bất thường vào hệ thống

Thiết bị làm việc trên kênh rạch được phép dao động với biên độ an toàn theo tiêu chuẩn được quy định (đề cập ở phần sau) Trên thực tế, thiết bị phá tảng lục bình

có thể bị dao động vượt ngoài giới hạn này trong quá trình băm phá nhưng không được phép vượt ngưỡng an toàn của thiết bị Để kiểm tra bài toán điều khiển, thành phần nhiễu có thể được ước lượng bằng khoảng 10% tải của thiết bị

1.2.2 Sơ lược thiết bị trục vớt lục bình trong nghiên cứu

Thiết bị trục vớt lục bình như đã đề cập có nhiều kích thước khác nhau phụ thuộc vào nhu cầu, nơi làm việc nhưng đều có cấu tạo cơ bản chung bao gồm: cụm vớt, cụm chứa và cụm xả tải Sau khi nghiên cứu, xem xét và chỉ ra những khuyết điểm còn tồn tại trong các công trình nghiên cứu chế tạo thiết bị thu gom xử lý lục bình trước đây, nhóm nghiên cứu của dự án đã đưa ra bản thiết kế thiết bị trục vớt lục bình như Hình 1.15 và Hình 1.16 Thiết bị này hiện cũng đang được nghiên cứu và triển khai tại DCSELab

Hình 1.14: Hình chiếu đứng thiết bị trục vớt lục bình trong dự án

Hình 1.15: Hình chiếu bằng thiết bị trục vớt lục bình trong dự án

Nguyên lý hoạt động và làm việc của thiết bị tương tự thiết bị tự hành có hai bánh xe nước (paddle wheel) lắp hai bên Hai bánh xe nước được truyền động bằng hai động

cơ thủy lực và có thể điều chỉnh số vòng quay độc lập với nhau, có khả năng đổi được chiều quay dễ dàng thông qua điều khiển đảo chiều thủy lực trên cabin lái Khi gặp khoảng cách giữa hai trụ cầu hẹp (hoặc qua cống hẹp), hai bánh xe nước sẽ được thu gọn để giảm kích thước bề ngang Lúc này, động cơ chân vịt phía sau sẽ hoạt động

để đẩy thiết bị trục vớt di chuyển

Bảng 1.2: Thông số cơ bản của thiết bị trục vớt lục bình

1 Năng suất trục vớt lý thuyết 150170 tấn/h

5 Tốc độ di chuyển không tải 7 km/h

11 Chiều chìm khi chở đầy tải 1,08 m

Các cụm công tác trên tàu được truyền động bằng hệ thống thủy lực được bố trí và kết nối như sau:

Hình 1.16: Sơ đồ truyền động bằng động cơ thủy lực

Công suất các cụm công tác trên tàu vớt lục bình:

Bảng 1.3: Thông số công suất các cụm công tác trên thiết bị trục vớt

1 2 3 4

5 6 7 8 9 10

11

12 13 14

1 Tay gom lục bình 2 Băng tải vớt lục bình

3 Băng tải chứa lục bình 4 Băng tải xả lục bình

Hình 1.17: Sơ đồ di chuyển lục bình trên thiết bị trục vớt

Sau khi thiết bị được đưa đến vị trí cần thực hiện việc vớt lục bình Người vận hành thiết bị sẽ nâng hạ hệ thống băng tải vớt và bắt đầu cho băng tải hoạt động Lục bình sẽ được gom lại bằng tay gom 1 và được vớt lên thiết bị bằng băng tải dọc 2, sau

đó được chứa trên băng tải 3 và cuối cùng được xả khỏi thiết bị qua băng tải ngang

4 Sau quá trình thu gom lục bình, thiết bị sẽ di chuyển đến vị trí tập kết, đậu cập theo

bờ kênh rạch và bắt đầu xả tải Tùy vào vị trí cần xả tải mà lục bình được xả theo mạn trái hoặc mạn phải của thiết bị

Hình 1.18: Sơ đồ xả tải lục bình theo mạn phải hoặc mạn trái của thiết bị

Trong quá trình vận hành, trọng lượng của lục bình khi được vớt lên sẽ làm cho thiết

bị bị mất cân bằng Các trạng thái gây mất cân bằng bao gồm các nguyên nhân sau:

1 Khi lục bình được gom lại và vớt lên trên băng tải dọc;

2 Khi lục bình di chuyển trong băng tải chứa;

3 Khi lục bình di chuyển ngang trong băng tải xả;

4 Từ các nguồn nguyên nhân khác

Trong thực tế, thiết bị có thể sẽ gặp phải trường hợp vớt mảng lục bình lớn, rễ lục bình cắm chặt dưới bùn làm kéo thiết bị chúi đột ngột về phía trước, trường hợp này

sẽ được tính toán xem như một dạng nhiễu bất thường vào hệ thống, đây là trường hợp thứ 4 như đã nêu trên

Hình 1.20: Trường hợp thiết bị mất cân bằng theo phương dọc

Như đã đề cập, lục bình là đối tượng chính gây mất cân bằng cho thiết bị Trọng lượng lục bình khi được vớt lên băng tải sinh ra mô men gây chúi thiết bị, còn khi thải xả, trọng lượng lục bình sẽ sinh ra mô men gây nghiêng ngang thiết bị Nhằm xác định mô men nghiêng giới hạn lớn nhất phục vụ cho việc tính toán, phân tích, đánh giá an toàn thiết bị, ta xem lượng lục bình như một vật nặng, tập trung tại vị trí

xa nhất tính từ trọng tâm thiết bị đến vị trí xa nhất trên băng tải vớt, băng tải chứa và băng tải thải Từ đó, vị trí và khối lượng của vật đối trọng sẽ được tính toán để đảm bảo cho hệ thống cân bằng

1.3 Đầu bài đặt ra cần phải giải quyết

Đối với hệ thống cân bằng áp dụng trên các phương tiện nổi nói chung, mục đích của hệ thống là tạo ra lực cân bằng cho thiết bị trong các trường hợp có ngoại lực tác động khiến thiết bị không thể trở lại vị trí cân bằng hoặc dao động có thể gây

ra nguy hiểm cho thiết bị Khối lượng lục bình trục vớt, mô men phản lực do bộ phận băm phá gây ra, va chạm các chướng ngại vật, dịch chuyển tải trọng trên thiết bị, quá tải trong quá trình trục vớt hoặc các yếu tố tự nhiên bất thường khác là những nguyên nhân có thể gây ra sự mất cân bằng Ngoài ra, các công trình nghiên cứu chế tạo thiết

bị thu gom lục bình trước đây tại Việt Nam chưa tập trung nghiên cứu về hệ thống cân bằng cho thiết bị, điều này có thể dẫn đến một số rủi ro nguy hiểm xảy ra Do đó, việc xử lý mất cân bằng là nội dung cần thiết phải được triển khai thực hiện Đầu bài

đặt ra là nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng giúp cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình có thể hoạt động an toàn trong giới hạn góc nghiêng nhỏ

Các phương tiện nổi nói chung hoạt động trên sông nước phải chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên trong môi trường phức tạp Các phương tiện nổi khi hoạt động sẽ có thể chịu 6 chuyển động bao gồm:

1 Chuyển động dọc trục Ox (còn gọi là chuyển động tiến lùi);

2 Chuyển động dọc trục Oy (còn gọi là dạt ngang);

3 Chuyển động dọc trục Oz (còn gọi là lắc đứng, nhồi);

4 Chuyển động quanh trục Ox (còn gọi là lắc ngang);

5 Chuyển động quanh trục Oy (còn gọi là lắc dọc);

6 Chuyển động quanh trục Oz (còn gọi là quay trở)

Mỗi dạng chuyển động đều gây hậu quả xấu cho hoạt động của phương tiện Lắc đứng kết hợp với lắc dọc làm giảm đáng kể tốc độ khi đi trên sóng, gây hiện tượng nước phủ boong tàu, làm ướt mặt boong, gây trơn trượt cho thủy thủ đoàn Lắc ngang hoặc lắc ngang kết hợp dạt ngang có thể là những trường hợp nguy hiểm nếu xét ổn định tàu Chuyển động quanh trục Oz dẫn đến mất tính ăn lái, nhất là khi tàu chạy trên sóng đuổi Đã có trường hợp tàu bị mất ổn định khi chạy cắt sóng ở góc gần 𝜋 4⁄ phía sau lái sau khi bị dạng chuyển động quanh trục Oz làm vô hiệu hóa tính chịu lái của tàu [1]

Hình 1.21: Các góc xoay trong trường hợp thiết bị mất cân bằng

yaw 𝑧

𝑦

Các thiết bị hoạt động trong môi trường kênh rạch, theo như khảo sát thực tế cũng như tìm hiểu các đặc tính sông ngòi tại Long An, ngoại lực tác động do sóng, gió có biên độ nhỏ Do đó các yếu tố tự nhiên không làm ảnh hưởng đáng kể đến sự mất cân bằng cho thiết bị Các yếu tố ngoại lực khác đã được chỉ ra ở các phần trên chủ yếu gây ra các chuyển động quay quanh trục Ox (góc roll) và dạng chuyển động quay quanh trục Oy (góc pitch) Trong luận văn này sẽ xem xét sự mất cân bằng theo dạng chuyển động quay quanh trục Ox và dạng chuyển động quay quanh trục Oy

1.4 Tình hình nghiên cứu hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi

Trên thế giới, vấn đề cân bằng cho các phương tiện nổi, đặc biệt là phương tiện nổi cỡ lớn rất được chú trọng Một số tác giả đã có những công trình nghiên cứu mang tầm quan trọng, mở ra hướng phát triển mới trong việc kiểm soát an toàn trong ngành hàng hải Có nhiều kỹ thuật cân bằng được sử dụng đi kèm cùng các bộ điều khiển được thiết kế từ đơn giản đến phức tạp đã được đề xuất áp dụng

Phairoh và Huang đã nghiên cứu so sánh các bộ điều khiển PD, bộ điều khiển tối ưu LQR, bộ điều khiển dự đoán tổng quát GPC và bộ điều khiển dự đoán Dead-Beat cho thiết bị van khóa thùng chứa nước dằn chống lắc dạng chữ U thụ động của tàu chở hàng Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển dự đoán tổng quát GPC có hiệu suất tốt nhất và thùng chứa nước dằn chống lắc dạng chữ U thụ động có hiệu quả trong việc giảm biên độ lắc của tàu đến 40% khi ngưỡng dao động quanh 50 [18]

Moaleji và Greig đã sử dụng bộ điều khiển thích nghi nghịch đảo để điều chỉnh máy bơm trong thùng chứa nước dằn chống lắc dạng chủ động trên tàu tuần dương của Đức Kết quả cho thấy hệ thống này có đủ khả năng để ổn định tàu khi hoạt động ngoài biển khơi khi sóng biển làm nó lệch 30º so với phương vuông góc [19]

Fang và các cộng sự đã sử dụng bộ điều khiển trượt dựa trên thuật toán di truyền để điều khiển ổn định vây hông cho tàu chở container Kết quả thu được đã giúp cho tàu giảm biên độ lắc xuống 11,35% khi giá trị sóng ban đầu là 300 và 14,81% khi giá trị sóng ban đầu là 900 [20]

Vào năm 1997, G.N.Roberts đã tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bền vững H∞ RRS ổn định trục bánh lái cho tàu chiến của Hải quân Hoàng gia Anh,

đây là hướng tiếp cận phù hợp với thiết kế tàu chiến hiện tại và tương lai Nghiên cứu kết luận rằng hiệu suất tổng thể của bộ điều khiển bền vững H∞ và chế độ lái tự động

là vượt trội hơn nhiều so với loại cổ điển về độ bền vững khi có sự không chắc chắn của hệ thống Bộ điều khiển RRS cổ điển có thể làm giảm mức độ lắc của tàu lớn hơn khi sóng ở tần số bình thường (sóng tự nhiên), tuy nhiên, ở tần số cao và thấp, hiệu suất của nó giảm đi đáng kể Trong khi đó, bộ điều khiển H∞ RRS hoạt động ổn định tốt hơn trên toàn bộ dải tần số cao với hoạt động của bánh lái giảm [21]

Năm 2005, Law và cộng sự đã tổng hợp một số bộ điều khiển bánh lái hông nhằm so sánh và thử nghiệm Ba loại bộ điều khiển chính khác nhau bao gồm bộ điều khiển PID, bộ điều khiển hồi phục vòng lặp kép (LTR) và bộ điều khiển trượt (SMC)

đã được sử dụng Hiệu quả của từng bộ điều khiển đã được chứng minh khi giảm được dao động lắc của tàu và bộ điều khiển LTR có khả năng giảm chuyển động lắc đến 30% cho tàu [22]

Alarcin và Gulez đã nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển mạng nơ-ron cho hệ thống ổn định trục bánh lái cho tàu đánh bắt cá Thiết kế bộ điều khiển mạng nơ-ron được thực hiện bằng cách sử dụng thuật toán di truyền ngược cổ điển (CBA) Hiệu quả của bộ điều khiển đã được chứng minh khi có thể giảm được đến 75% dao động lắc [23]

Trong nước, một số công trình nghiên cứu đã được thực hiện và đạt được những kết quả nhất định Điển hình như đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thống điều khiển tự động chống nghiêng tàu thủy” do PGS.TS Hoàng Đức Tuấn chủ nhiệm thực hiện, đề tài đã sử dụng phương án cân bằng bằng các két nước bố trí dọc theo hai mạn tàu sử dụng loại bơm không đảo chiều, mục đích nhằm tăng tính an toàn hàng hải, nâng cao hiệu quả kinh tế trong khai thác vận tải biển và phục vụ tiến trình nội địa hóa sản phẩm [12]

Mặc dù việc cân bằng cho các phương tiện nổi là một yêu cầu phải được thực hiện và không thể thiếu trên các phương tiện nổi, nhưng hiện nay các công trình nghiên cứu về chủ đề này chỉ mới tập trung vào các loại tàu hàng, tàu chở khách Hầu

như chưa có công bố nào liên quan đến hệ thống cân bằng cho tổ hợp thiết bị băm phá và trục vớt lục bình

1.5 Các giải pháp cân bằng cho phương tiện nổi hiện nay

1.5.1 Hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi

Các hệ thống cân bằng nổi bao gồm cân bằng ngang theo độ lệch giữa hai mạn tàu, cân bằng dọc theo chiều mũi tàu và đuôi tàu là những hệ thống có mặt hầu hết trên các phương tiện nổi, đặc biệt là các phương tiện nổi như tàu quân sự, tàu chở khách, tàu chở dầu, tàu chở công-ten-nơ, các xà lan chở tải trọng lớn, các xà lan cẩu, các kết cấu kiểu nổi, các âu nổi, kho nổi và các phương tiện chuyên dụng khác [11],[12] Nguyên tắc chung của các hệ thống cân bằng này là điều khiển sức nổi một cách hợp lý thông qua việc tạo các lực (hay mô men) nổi ngược chiều và bằng với các lực (hay mô men) gây ra sự mất cân bằng cho phương tiện Các lực (hay mô men) gây ra sự mất cân bằng cho phương tiện xuất phát từ nhiều nguyên nhân và phụ thuộc rất nhiều yếu tố như:

- Sự suy giảm tải trọng (nhiên liệu trên tàu sau khi di chuyển một quãng đường

sẽ giảm đi) phá vỡ tính cân bằng;

- Sự phân bố tải trọng không hợp lý;

- Sự thay đổi tải trọng trong quá trình bốc xếp hàng hóa;

- Sự thay đổi vị trí tải trọng trên tàu;

- Ảnh hưởng mặt thoáng của các chất lỏng có trên tàu;

- Điều kiện môi trường như sóng, gió, dòng chảy;

- Chế độ hoạt động của phương tiện như tốc độ, chế độ quay trở, hướng hoạt động theo chiều sóng gió;

- Sự ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng giữa các tần số lắc riêng của phương tiện (ngang, dọc, chệch hướng ) với tần số của sóng nước làm cho phương tiện luôn ở trạng thái mất cân bằng

Việc hạn chế các tác nhân trên là cực kỳ quan trọng, nhất là trong khâu tính toán thiết kế ổn định tĩnh của thiết bị Ngoài ra, các tác nhân ảnh hưởng trong quá

trình vận hành, khai thác làm cho thiết bị bị mất cân bằng cũng cần được tính toán thiết kế và lựa chọn phương án cân bằng sao cho thích hợp với đặc tính chuyên dụng của phương tiện cũng như cách bố trí cụm công tác trên phương tiện nổi

1.5.2 Các kỹ thuật cân bằng được áp dụng hiện nay

Phương pháp dùng con quay hồi chuyển:

Con quay hồi chuyển của hệ thống cân bằng làm việc trên nguyên tắc sử dụng những hiệu ứng hồi chuyển của bánh lái ở tốc độ quay lớn tạo ra mô men chống lại

mô men ngoại lực tác động Có hai dạng con quay hồi chuyển: con quay thụ động và con quay chủ động Con quay thụ động sinh ra mô men chống lại mô men nghiêng tàu chỉ khi có tác động của ngoại lực làm tàu lệch khỏi vị trí cân bằng sau một khoảng thời gian nhỏ nhất định Con quay chủ động sinh ra mô men chống lại mô men nghiêng tàu ngay khi có tác động của ngoại lực lên tàu nhờ được điều khiển tự động, còn gọi là con quay lái (pilot gyro) [24] Loại con quay chủ động này dùng được cho

cả tàu có kích thước nhỏ và tàu có kích thước lớn

Bộ ổn định con quay hồi chuyển sử dụng trong ngành tàu thủy hoạt động dựa trên khả năng quay của một vật khối lượng nặng để duy trì trục quay chính không bị thay đổi Nếu ta cố gắng thay đổi hướng của trục này bằng cách tác dụng một ngoại lực, một lực sẽ được tạo ra có xu hướng giữ cho trục ở vị trí ban đầu của nó [24]

Hình 1.22: Mô hình con quay hồi chuyển Hình 1.23: Nguyên lý hoạt động con

quay hồi chuyển [25]

Về cơ bản, nguyên tắc này có thể được minh họa như trong Hình 1.23 Chuyển động tiến động hay còn gọi là chuyển động “tuế sai” là hiện tượng mà trục của vật thể quay

"lắc lư" khi mô men lực tác động lên nó Trong hiện tượng này, khi một vật thể xoay